526185-1航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb.152023Vol.44No.3ISSN1000-6893CN11-1929/V脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法徐国栋*，张丹蕾，徐振东哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001摘要：脉冲星导航是具有发展潜力的深空探测技术之一，然而极低的能流密度限制了脉冲星信号的信噪比，对高精度导航应用提出了极大的挑战。只有在脉冲星信号处理技术方面取得突破，才能使脉冲星导航系统小型化、实用化。本文综合分析了脉冲星导航应用存在的问题，探讨了脉冲星导航应用的技术途径，从深空应用的角度提出了脉冲星导航系统的可行方案，提出了一种脉冲星特征频率信号处理方法，分析了该方法的克拉美-罗界，利用Crab脉冲星数据进行了仿真验证。仿真结果表明：脉冲星特征频率信号处理方法可实现Crab脉冲星矢量方向3km的定位精度，符合理论预期。关键词：脉冲星导航；深空探测；轻量化；小型化；脉冲星信号处理中图分类号：V324.2+4文献标识码：A文章编号：1000-6893（2023）03-526185-14脉冲星的发现对天文物理具有里程碑意义，1967年Hewish等［1］发现了第一颗脉冲星，其后不久又有多颗脉冲星被天文学家发现，出现了一波脉冲星探测的高潮。由于观测到脉冲星信号具有稳定的周期及良好的长期稳定性，1974年Downs［2］提出了基于射电脉冲星的导航方法。经过30年的研究发展，2004年ESA报告分析了脉冲星导航基本原理及信号模型，并阐述了系统的工程可实现性［3］。2005年美国马里兰大学Sheikh［4］在其博士论文中提出了一套脉冲星信号到达时间（TimeofArrival，TOA）的精确转换模型，建立了适用于X射线脉冲星自主导航的数学模型，从而形成了基于X射线脉冲星自主导航的基础理论。2017年美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA）将NICER探测器安装在国际空间站上，开展了在轨演示X射线毫秒脉冲星导航技术试验与验证工作，通过对多个毫秒脉冲星的观测，评估X射线脉冲星导航技术的实时轨道确定精度，在观测脉冲星8h后，自主导航系统的精度达到5km［5］。NASA空间发展规划同时制定了X射线导航技术发展的短期与长期目标，其长期目标为利用毫秒级脉冲星实现航天器星际导航，导航性能为在高动态环境下小于10km的定位精度，在低动态环境中实现几百米的定位精度。中国也于2004年展开了对脉冲星导航技术的全面研究，并在航天器自主导航领域快速推进，于2011年实施了脉冲星导航技术研发创新管理［6］，重点对X射线脉冲星...
