题目：基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法研究

脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子被称为20世纪60年代天文学的四大发现。脉冲星能够不断地发出电磁脉冲信号，它的发现为天文学的发展开辟了新的领域，对现代物理学的研究产生了深远的影响。X射线脉冲星以其良好的辐射特性和自转周期的稳定性赢得了众多天文导航学家的青睐，逐渐在导航领域崭露头角。运用X射线脉冲星进行导航的优点在于脉冲信号易于小型化设备的探测与处理，不仅节省能源也可以简化航天器设计的复杂程度。X射线脉冲星导航作为天文导航的一个分支，以其完全被动，能够为太空中任意位置的航天器提供位置、姿态和时间等导航信息，不易受到干扰，定位精度较高，并且精度不会随时间降低的优势成为新兴的航天器自主导航研究热点。本论文在广泛深入调研国内外X射线脉冲星导航技术发展的基础上，重点研究了基于X射线脉冲星的单一航天器绝对自主导航算法和编队飞行航天器间相对自主导航算法。针对X射线脉冲星导航中系统框架、脉冲到达时间(TOA)转换模型和导航滤波算法等关键问题，论文进行了深入的分析和研究。在概述X射线脉冲星导航时空参考系统的基础上，建立了完整的自主导航系统框架；通过对TOA转换模型的推导，建立了基于X射线脉冲星导航的TOA观测模型；通过对地球航天器的轨道动力学分析，建立了航天器的系统状态方程，并运用扩展Kalman滤波 (EKF) 和无迹Kalman滤波 (UKF) 进行误差估计。为论证X射线脉冲星导航的可行性，较准确地模拟量测信息及其误差特性，验证导航方法的性能，为地面半物理试验系统提供参考，论文建立了一个基于MATLAB软件的X射线脉冲星导航仿真平台，将TOA观测误差作为常值误差增补到状态变量中，运用EKF和UKF进行数值仿真。仿真结果表明，把常值测量误差作为增补状态量的扩维滤波方法可以有效估计并修正测量误差，减小随机误差对导航精度的影响。文中对导航精度及误差进行了研究和分析，分析表明随着脉冲星角位置精度和TOA转换模型精度的提高，X射线脉冲星导航的精度会有大幅提高。当脉冲星角位置误差为0.01mas，TOA观测模型误差为0.1μs时，航天器位置估计误差可达到30m，速度估计误差可达到0.09m/s。仿真结果初步论证了基于X射线脉冲星的自主导航模型和算法的可行性，该自主导航方式具有较好的应用前景。