相对论时空下利用时变天文信号的星座协同自主导航

The celestial signal whose amplitude, frequency or phase etc. changes obviously with time is called as time-varying celestial signal. It distributes widely in space, like Pulsar radiation, High-energy ray storms in typical. In past researches, we have already clarified the basic theory of Pulsar navigation. We will further promote it in this project, and develop researches about constellation co-autonomous navigation while utilizing time-varying astronomical signal in Relativistic space-time..This project follows the developing of external and domestic astronomical observations and navigation, analyzes the common features of time-varying astronomical signal to fit the application of navigation, establishes source library of navigation, exploits the skill of time difference measurement based on constellation structure. It also exploits the theories and the solutions to build navigation system directly in General relativistic space-time, aiming at the problems caused by relativistic correction in traditional Newtonian coordinate system. Meanwhile, it faces to the necessary of turning constellation partial cooperation into optimization of the whole network estimation, using distributed collaborative technology to achieve the combining measurement of the whole network and partial navigation data. Besides, it uses Beidou navigation satellite constellation as the object for application, building a connected bridge between theory methods and practical application. This has laid the foundation of promoting time-varying constellation signal navigation project.

幅度，或者频率、相位等参数随时间明显变化的天文信号称之为时变天文信号。时变天文信号广泛分布于宇宙空间，典型的如脉冲星辐射、高能射线暴等。既往研究中，已经阐明了脉冲星导航的基本理论，本项目进一步推广为时变天文导航，开展相对论时空下利用时变天文信号的星座协同自主导航机理研究。跟踪国内外天文观测和导航研究进展，剖析时变天文信号适用于导航应用的共性特征，建立导航信源库，开发以星座结构为依托的时差测量技术；针对传统牛顿坐标系中相对论修正引起的若干问题，探索直接在相对论时空中构造导航体系的原理与方法；面向星座局部协作到整网估计优化的需求，采用分布式协同技术实现整网和局部导航参数联合测定。此外，以北斗导航卫星星座为应用对象，搭建理论方法和实际应用之间的桥梁，为推动时变天文信号导航的工程应用奠定一些基础。

宇宙中存在丰富的时变天文信号，理论上只要能有效探测的时变天文信号就能用于星间到达时间差的测量，并形成导航信息。本项目以脉冲星导航为基础，分析、探讨时变天文导航相关理论和方法。主要涉及：（1）时变天文信号特征建库与时差测量技术，（2）导航理论与方法，（3）相对论导航框架。针对三个方面，主要的工作包括：.（1）针对HXMT慧眼卫星的实测数据，处理慧眼HXMT的观测数据，分析了总流量、脉冲流量和背景流量随时间的变化情况。针对实测信号的若干特征，设计了基于双谱的时差测量技术。.（2）展开滤波方法研究，针对X射线脉冲星导航(XNAV)难以获取准确的过程噪声统计特性及导航精度低的问题，提出基于自适应差分卡尔曼滤波器(ADDF)，融合地月夹角的多信息共同增强XNAV。.（3）为提高深空探测器导航精度，提出一种X射线脉冲星导航的差分增强方法，设计了一种利用基准星和航天器之间的位置差分增强X射线脉冲星导航的方法。提出利用X射线脉冲星进行星座定轨新方法。.（4）面向四维空间中的导航理论与方法，在闵氏空间中，构建了一种导航模型，给出了思维导航方程组的解算方法，为下一步导航模型应用奠定了基础；.（5）在时变天文信号提出了X射线通导一体化技术研究，基于X射线脉冲星导航，构建了通导一体化技术。研究测距通信、测距导航一体化、软件可定义等关键技术，采用测距增强的脉冲星导航方法、搭建了通导的一体化软件可地面试验平台。 .主要结论有：.变换域时差测量技术能稳定给出较高精度的估计，融合相位增量观测量的方法能将位置估计精度提高50%以上，速度精度提高25%以上，结合星光仰角观测量，位置和速度精度分别提高了70%和40%以上。导航算法研究表明，与UKF和 DDF相比，ADDF收敛速度快、估计性能好，且具有很强的噪声适应能力，其导航位置估计精度提高60%以上，速度估计精度提高25%以上。闵氏空间四维导航是一种更加简洁和统一的导航方法。X射线通导测一体化有利于设备共用和小型化。