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A novel framework for experimental validation of X-ray pulsar navigation using NICER observations
10.1016/j.cja.2025.104032
2025-12-22
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AI
摘要
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基于X射线脉冲星的导航（XPNAV）由于密集的二维（2-D）相位-频率网格搜索，面临显著的计算挑战，限制了其在自主航天器导航中的实时实现。为解决此问题，我们提出了一种集成的XPNAV框架，将降维相位延迟估计（RPDE）模块与扩展卡尔曼滤波器（EKF）相结合，并在中子星内部成分探索者（NICER）对PSR B0531+21（蟹状星云脉冲星）为期四天的观测数据上进行了验证。通过优化测量模型，我们的方法将传统的二维相位-频率网格搜索替换为一维纯相位搜索，解决了计算瓶颈。我们推导出一个理论速度界限以确保降维的有效性，并通过实验验证了该界限。为满足统计严谨性，我们采用增强引导导航验证，进行20次重采样。实验结果表明，RPDE相较于二维网格搜索实现了5080倍的速度提升，相较于基于轨道脉冲星定时的X射线脉冲星导航（XTITAN）加速4.8倍，同时相位估计精度提高了约一个数量级。完整框架能够缓解轨道传播误差，在为期四天的连续跟踪中实现5.3 km的位置精度，其中相位估计不确定性（≈3 km）是主要误差来源。光子级仿真交叉验证与NICER的基准相比差异小于23.3%，证实了框架的保真度。
关键词:
pulsar-based navigation
NICER observations
extended Kalman filter (EKF)
Crab pulsar
orbit determination
AI总结
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