X射线脉冲星导航系统原理与方法PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1导航的基本概念 1

1.2导航系统分类及发展概况 1

1.2.1天文导航系统 1

1.2.2惯性导航系统 3

1.2.3无线电导航系统 5

1.2.4卫星导航系统 7

1.3 X射线脉冲星导航系统 11

1.3.1 X射线脉冲星导航的基本内涵 11

1.3.2脉冲星导航技术研究进展 12

1.3.3国外X射线脉冲星导航计划 14

1.3.4国内X射线脉冲星导航的研究基础 17

1.4 X射线脉冲星导航的关键技术 18

1.4.1 X射线脉冲星导航数据库技术 18

1.4.2导航时空基准的建立与维持技术 18

1.4.3脉冲到达时间转换技术 19

1.4.4 X射线脉冲星探测器技术 19

1.4.5星载时钟的时间保持技术 19

1.4.6自主导航算法与容错处理技术 19

1.5 X射线脉冲星导航的应用前景分析 20

1.5.1导航卫星自主导航应用领域 20

1.5.2深空探测与星际飞行任务领域 21

1.5.3空间科学研究领域 22

参考文献 23

第2章 张量分析与广义相对论基础 25

2.1仿射空间的矢量表达 25

2.1.1矢量空间、欧氏空间和仿射空间的内涵 25

2.1.2矢量的代数运算 27

2.1.3场论基础 28

2.1.4斜角直线坐标系与曲线坐标系的基矢量 31

2.1.5坐标变换关系 35

2.2仿射空间的张量分析 37

2.2.1张量的基本概念和运算 37

2.2.2度规张量 40

2.2.3张量的仿射联络与协变导数 42

2.2.4张量场论 46

2.2.5挠率张量和曲率张量 48

2.2.6仿射空间的测地线微分方程 49

2.3黎曼空间的张量分析 51

2.3.1黎曼空间的基本概念 51

2.3.2黎曼空间的联络和测地线微分方程 52

2.3.3爱因斯坦张量 54

2.3.4等度规映射 55

2.4狭义相对论与广义相对论的基本概念 57

2.4.1牛顿引力理论的缺陷 57

2.4.2狭义相对论与洛伦兹变换 59

2.4.3广义相对论的基本原理 60

2.4.4引力与时空弯曲 62

2.5爱因斯坦引力场方程的求解 68

2.5.1调和坐标条件 68

2.5.2球对称度规的一般形式 69

2.5.3史瓦西尔度规及其奇异性问题 70

2.5.4荷电球外部的度规 74

2.5.5符合宇宙学原理的度规 75

2.6广义相对论框架下的时空测量理论 76

2.6.1广义相对论的基本观测量 76

2.6.2四轴正交坐标框架 77

2.6.3时间和空间间隔测量 82

2.6.4时空测量概念的物理解释 87

2.7球对称引力场的广义相对论效应 90

2.7.1自由粒子在引力场中的运动方程 91

2.7.2水星轨道近日点的进动 94

2.7.3光线的引力偏折 95

2.7.4雷达回波的延缓 98

2.7.5光子的引力频移 100

2.7.6原子时钟的环球飞行试验 101

2.8引力场的后牛顿近似关系 102

2.8.1爱因斯坦引力场方程的后牛顿近似解 102

2.8.2稳态引力场的光子后牛顿运动方程 106

2.8.3多参考系的后牛顿近似方法——DSX体系 109

参考文献 111

第3章 脉冲星观测及基本物理特征 112

3.1现代宇宙学 112

3.1.1宇宙概述 112

3.1.2宇宙学的基本原理 115

3.1.3现代宇宙学的观测基础 116

3.1.4宇宙的理论模型 117

3.2恒星的形成和演化 120

3.2.1恒星的形成和观测特性 120

3.2.2恒星的演化进程和归宿 123

3.2.3恒星的距离测量、角位置及运动特征 127

3.3变星和致密星 130

3.3.1变星的分类及物理特性 130

3.3.2超新星爆发 132

3.3.3致密星的形成过程 133

3.3.4白矮星 134

3.3.5中子星和脉冲星 135

3.3.6黑洞 137

3.4脉冲星的物理机制和特征 138

3.4.1脉冲星的发现 138

3.4.2脉冲星的命名、分类和分布 139

3.4.3脉冲星的脉冲轮廓和周期 144

3.4.4脉冲星的距离和运动 147

3.4.5脉冲星的物理特征和形成过程 148

3.4.6脉冲星的辐射机制和内部结构 149

3.5射电天文与射电脉冲星观测 152

3.5.1射电天文观测技术的发展历程 152

3.5.2射电望远镜技术 153

3.5.3射电脉冲星的观测研究 156

3.6 X射线脉冲星观测研究 158

3.6.1天体X射线探测技术的发展概况 158

3.6.2 X射线脉冲星探测与可观测性分析 160

3.7 X射线探测器技术 162

3.7.1 X射线探测器的基本原理 162

3.7.2充气正比计数器 164

3.7.3微通道板探测器 166

3.7.4硅半导体探测器 167

3.7.5 CCD半导体探测器 168

3.7.6闪烁探测器 169

3.7.7热敏探测器 169

3.7.8 X射线定位与成像技术 170

3.8 X射线脉冲星导航数据库 173

3.8.1 X射线脉冲星的优选方法 173

3.8.2 X射线脉冲星编目 174

3.8.3导航数据库设计方案 176

参考文献 181

第4章X射线脉冲星导航的时空基准 182

4.1导航时空基准的基本概念 182

4.1.1经典牛顿力学框架下的时空基准 183

4.1.2广义相对论框架下的时空基准 186

4.1.3时空基准的建立与维持关系 187

4.2天球参考系及其实现框架 190

4.2.1理想的天球参考系 190

4.2.2协议天球参考系 193

4.2.3国际天球参考系及参考框架 200

4.2.4天文常数的定义 204

4.2.5天球参考系的坐标转换关系 206

4.3地球参考系及其实现框架 210

4.3.1协议地球参考系及转换模型 210

4.3.2协议地球参考框架的建立与维持 217

4.3.3国际地球参考系及参考框架 219

4.3.4常用的地球坐标系和航天器导航坐标系 222

4.4天球参考系与地球参考系之间的转换关系 227

4.4.1基于春分点的坐标转换 227

4.4.2天球参考极的基本理论 228

4.4.3天球和地球中介原点 229

4.4.4基于非旋转原点的坐标转换 231

4.5时间系统及其实现框架 232

4.5.1有关时间的基本概念 232

4.5.2常用的时间系统定义及基本关系 233

4.5.3脉冲星计时系统基本原理及时间转换 239

4.5.4时间系统框架的建立与维持 242

4.6广义相对论框架下的时间尺度转换关系 246

4.6.1相对论参考系中的固有时和坐标时 246

4.6.2完整后牛顿时空度规及时空坐标转换模型 247

4.6.3地球质心参考系的时间尺度转换模型 250

4.6.4太阳系质心天球参考系的时间尺度转换模型 253

4.7星载原子时钟性能评估方法 254

4.7.1原子时钟的工作原理 254

4.7.2原子时钟性能评价指标 258

4.7.3原子时钟频率稳定度的Allan方差表达 262

4.7.4原子时钟频率稳定度的Hadamard方差表达 267

4.7.5原子时钟系统状态方程 270

4.8脉冲星计时模型误差及稳定性分析 276

4.8.1脉冲星计时模型误差来源 276

4.8.2脉冲星时的稳定度估计方法 278

4.8.3脉冲星时与原子时稳定度对比分析 279

参考文献 283

第5章 航天器轨道与姿态动力学方法 286

5.1航天器轨道动力学概述 286

5.1.1航天器轨道力学模型 286

5.1.2航天器轨道的基本形状和分类 289

5.1.3航天器轨道参数的表达形式 292

5.2二体问题与N体问题 294

5.2.1二体问题的解析形式 294

5.2.2椭圆轨道的基本关系 299

5.2.3抛物线轨道和双曲线轨道 301

5.2.4位置速度参数与轨道根数之间的换算关系 305

5.2.5 N体问题的运动方程 307

5.3航天器轨道摄动 310

5.3.1轨道摄动的类型及特征 311

5.3.2摄动方程的基本形式 318

5.3.3摄动方程的求解方法 326

5.4导航卫星轨道特征及力学模型 333

5.4.1导航卫星轨道摄动数值分析 334

5.4.2导航卫星轨道系统状态方程 337

5.5拉格朗日点的航天器轨道 340

5.5.1拉格朗日点的基本概念 341

5.5.2共线拉格朗日点附近的轨道 342

5.5.3拉格朗日点轨道的典型应用 346

5.6行星际飞行及月球探测轨道 347

5.6.1星际飞行的转移轨道设计方法 347

5.6.2月球探测轨道设计实例 354

5.7航天器姿态运动学与动力学方程 362

5.7.1航天器姿态的描述 362

5.7.2航天器姿态运动学方程 366

5.7.3航天器姿态动力学方程 367

5.8太阳系行星轨道计算 369

5.8.1太阳及月球位置坐标计算方法 369

5.8.2行星星历计算方法 371

5.8.3 JPL行星星历 372

参考文献 377

第6章X射线脉冲星导航系统测量理论 379

6.1 X射线脉冲星导航的基本原理 379

6.1.1 X射线脉冲星导航的几何原理 379

6.1.2 X射线脉冲星导航系统组成及实现流程 381

6.2 X射线脉冲星导航方式和观测量 386

6.2.1 X射线脉冲星导航方式分类 386

6.2.2 X射线脉冲星导航的基本观测量 387

6.2.3 X射线脉冲星的脉冲轮廓提取 388

6.2.4 X射线脉冲星的脉冲到达时间测量 390

6.3 X射线光子到达时间转换的数学模型 392

6.3.1 X射线脉冲星导航的固有时和坐标时 392

6.3.2从航天器至太阳系质心的时间转换模型 395

6.3.3光子到达时间转换模型分析 403

6.4基于X射线脉冲星的航天器轨道测量方程 407

6.4.1直接距离测量方程 407

6.4.2脉冲相位测量方程 408

6.4.3绝对导航测量方程 409

6.4.4相对导航测量方程 411

6.5基于X射线脉冲星的航天器姿态测量方程 414

6.5.1航天器姿态测量原理 414

6.5.2惯性姿态测量与组合数据处理 418

6.5.3用欧拉角表示的测量方程 420

6.5.4用四元数表示的测量方程 422

6.6 X射线脉冲星导航的测量噪声统计特征 424

6.6.1 X射线光子测量特征参数 424

6.6.2 X射线脉冲星探测系统噪声 426

6.6.3脉冲信号统计模型和探测器模型表达 428

6.6.4脉冲到达时间测量噪声方差 431

6.6.5 X射线定位与成像数据处理 435

6.7 X射线脉冲星导航的整周模糊度解算方法 437

6.7.1脉冲相位整周模糊度的概念和特征 437

6.7.2模糊度函数法 439

6.7.3最小二乘搜索法 441

6.7.4模糊度协方差法 443

6.8 X射线脉冲星导航的误差来源分析 444

6.8.1脉冲星的特征参数与计时模型误差 444

6.8.2探测器系统的安装与测量误差 447

6.8.3时间转换模型误差 448

6.8.4太阳系行星参数误差 448

6.8.5其他误差来源 449

参考文献 450

第7章 航天器自主导航算法 452

7.1导航系统状态参量的最优估计方法 452

7.1.1参量估计的相关概念 452

7.1.2最小二乘估计 453

7.1.3最小方差估计 458

7.1.4基于条件概率密度的参量估计 460

7.2经典Kalman滤波算法 462

7.2.1标准Kalman滤波与反馈校正 463

7.2.2扩展Kalman滤波 466

7.2.3 Kalman滤波的实际应用问题 471

7.3随机线性系统的可观测性分析方法 473

7.3.1 Kalman滤波器的稳定性 473

7.3.2随机线性系统的可控性和可观性 475

7.3.3线性时变系统的可观测性分析 476

7.4无迹Kalman滤波算法 480

7.4.1无迹Kalman滤波的定义和特征 480

7.4.2无迹变换的基本原理 481

7.4.3无迹Kalman滤波的基本方程 484

7.5 H∞滤波算法 486

7.5.1 H∞范数的最优估计问题 487

7.5.2在Krein空间求解H∞范数的次优解 488

7.5.3 H∞滤波与Kalman滤波对比分析 491

7.6粒子滤波算法 493

7.6.1粒子滤波的理论基础 493

7.6.2粒子滤波的原理和方法 494

7.6.3粒子滤波的改进策略 499

7.7自主导航系统的容错处理算法 502

7.7.1组合导航滤波算法 502

7.7.2故障检测与隔离的经典算法 505

7.7.3人工神经网络算法 507

参考文献 519

第8章 导航卫星自主导航的数值试验 521

8.1导航卫星的自主导航概述 521

8.1.1自主导航的基本内涵 521

8.1.2 GPS卫星自主导航进展 522

8.2基于星间链路的自主导航模式 524

8.2.1自主导航的基本原理 524

8.2.2自主导航的关键技术分析 525

8.2.3数值试验及结果分析 533

8.3基于X射线脉冲星的自主导航模式 537

8.3.1数值试验内容及流程 537

8.3.2数值试验及结果分析 539

8.4组合导航系统方案及数值试验 540

8.4.1高精度自主导航系统方案 540

8.4.2组合导航数值试验及结果分析 541

参考文献 543

附录A IAU2000岁差章动模型 545

附录B交角章动和黄经章动计算 548

附录C大地纬度的直接解算方法 552

附录D Arecibo天文台长期观测的毫秒脉冲星 553

附录E缔合勒让德多项式及地球引力加速度的递推算法 555

E.1缔合勒让德多项式的定义及递推算法 555

E.2地球引力位的递推算法 555

E.3地球引力加速度的递推算法 556

E.4地球引力加速度偏导数的递推算法 557

附录F太阳及太阳系行星和月球的基本物理参数 560

附录G常用术语英汉对照 562

附录H单位符号及换算关系 567