CN106289326A - X 射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线脉冲星动态信号半实物模拟的方法，方法包括以下步骤：A、脉冲星轮廓波形载入计算机将脉冲星轮廓文件数据载入到下位机中的静态内存中并存储在静态内存中；B、数据处理单元设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数后，每隔一段时间，计算一次脉冲星周期，并将周期数值存储在刷新波形周期器寄存器中；C、波形模拟控制器依据刷新波形周期器寄存器中的数值设定数模转换器控制器读取静态内存的速率。本发明实现X射线脉冲星动态信号的半实物模拟，适用于对脉冲星导航***理论方法的验证和工程技术的研究。

Description

X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及***

技术领域

本发明涉及航天器导航技术领域，特别地，涉及一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及***，适用于脉冲星导航***理论方法的验证和工程技术的研究。

背景技术

X射线脉冲星导航技术是一种前瞻性的自主导航方法，它利用脉冲星辐射的X射线信号为航天器导航。脉冲星是一种高速旋转的中子星，能够以高精度稳定的频率辐射X射线信号，有些毫秒脉冲星的自转周期长期稳定度可以媲美当前的原子钟。由于脉冲星远离太阳系，脉冲星提供的高精度时间信息可以为地球轨道航天器和深空探测器提供位置参考信息，从而实现导航定位功能。由于其具有广阔的应用前景，X射线脉冲星导航技术得到了国内外的广泛关注。

脉冲星X射线波段信号及其微弱，在地面上几乎无法接收，因此为了进行脉冲星导航理论方法验证和探测器研发，脉冲星信号地面模拟技术是当前的研究热点。其中，航天器处接收到的脉冲星信号含有动态多普勒频移，其变化随航天器轨道运动而动态变化。若不加处理，这种信号频率变化对导航精度影响很大，因此模拟脉冲星动态信号，进而研究脉冲星动态信号处理，对提高脉冲星导航精度有重要意义。模拟脉冲星动态信号对地面模拟方法的性能有很高的要求，是脉冲星信号地面模拟技术中的难点。

在中国专利CN200910023357.0和CN200910023707.3的专利申请中提出了一种基于半导体激光器的X射线脉冲星信号模拟方法，该***只能产生激光信号，与X射线脉冲星实际辐射的软X射线信号差别很大。在中国专利CN200910023383.3的专利申请中提出的脉冲星模拟信号属于脉冲星波形的电信号，也与X射线脉冲星实际辐射的信号有较大差别。中国专利CN201010140837.8的专利申请中提出了一种脉冲星X射线信号的模拟方法，但该方法仅能模拟脉冲星静态信号，并不能准确模拟在轨航天器处脉冲星信号的动态多普勒频移。中国专利CN201510156035.9的专利申请中提出了模拟在轨航天器处脉冲星信号的多普勒频移的方法，但其依然不属于X射线波段的信号。

发明内容

本发明目的在于提供一种可靠性高、信号周期精确可控、信号波形可调制的X射线动态信号模拟方法及***，以解决现有技术无法精确模拟X射线脉冲星信号的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：

A、脉冲星轮廓波形载入计算机将脉冲星轮廓文件数据载入到下位机中的静态内存中并存储在静态内存中；

B、数据处理单元设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数后，每隔一段时间，计算一次脉冲星周期，并将周期数值存储在刷新波形周期器寄存器中；

C、波形模拟控制器依据刷新波形周期器寄存器中的数值设定数模转换器控制器读取静态内存的速率；

D、数模转换器输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。

优选的，还包括：

在步骤D之后，包括：

X射线光子到达事件被所述光子信息读出设备记录时间标记；

X射线光子到达事件通过光子信息读出设备发送至数据处理计算机，最后由数据处理计算机处理X射线光子到达事件，得到测试结果。

优选的，步骤B的时间间隔为10微秒。

优选的，步骤A的脉冲星轮廓文件数据通过计算机串口、串口控制器、传输缓存控制器、静态内存控制器下载到静态内存中。

优选的，步骤B的脉冲星周期的计算方法表示为：

$P=\frac{1}{f_s+\frac{f_s}{c}{v}_n\left(t\right)}$

其中，f_s表示脉冲星自转频率，c表示光速，v_n(t)是航天器在轨运动速度在脉冲星视线方向上的投影分量。

优选的，对于考虑其他天体摄动的航天器运行轨道，v_n可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{r}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\frac{\mathrm{\μ}}{r^3}r+\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i(\frac{r_{ri}}{r_{ri}^3}-\frac{r_{pi}}{r_{pi}^3})+\mathrm{\Δ}F\\ v_n=n\·v\end{array}\right.$

上式中，r，v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；n_p为引力扰动天体的数目；r_ri和r_pi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，r_ri和r_pi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μ_i是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动等摄动力的影响；n为脉冲星方向矢量。

本申请还提供一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟***，包括以下组件：

脉冲星轮廓波形载入计算机1，下载脉冲星的周期轮廓数据并将脉冲星的周期轮廓数据存储在静态内存内；

数据处理单元，设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数并隔一段时间计算脉冲星周期，并将周期数值通过EMIF总线接口传送并存储在刷新波形周期器寄存器中；

波形模拟控制器，依据刷新波形周期器寄存器中的数值设定数模转换器控制器读取静态内存的速率，从而动态改变脉冲星信号周期；

数模转换器，接收数模转换器控制器的信号，输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。

本发明具有以下有益效果：

本方法可用于X射线脉冲星导航动态周期信号的半实物模拟，该方法操作简便，模拟信号周期准确度高、动态信号轮廓精度高。有助于X射线脉冲星导航***理论方法的验证和工程技术的研究，解决了在轨航天器处动态信号模拟的难题，促进了脉冲星导航技术领域研究工作的开展。

并且本方法适用辐射源类型广，可适用于自转供能脉冲星、吸积供能脉冲星等多种空间X射线辐射源信号的模拟；适用X射线发生器种类广，可适用于栅控X射线发生器、紫外调制X射线发生器、码盘调制X射线发生器等；适用航天器轨道类型广，可适用于地球低轨道、地球中高轨道以及深空轨道的动态信号模拟。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的***结构示意图；

其中，1、脉冲星轮廓波形载入计算机，2、数据处理单元，3、EMIF总线接口，4、串口控制器，5、刷新波形周期器寄存器，6、传输缓存控制器，7、波形模拟控制器，8、静态内存控制器，9、数模转换器控制器，10、静态内存，11、数模转换器，12、FPGA芯片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本申请X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：

1、载入脉冲星轮廓文件

在***启动后，操作脉冲星轮廓波形载入计算机1，通过计算机串口、串口控制器4、传输缓存控制器6、静态内存控制器8，将脉冲星轮廓文件数据载入到下位机中的静态内存10中。这样静态内存10中存储了脉冲星一个周期的轮廓数据。

传输缓存控制器6具有依据波形模拟控制器7的输出信号按照其指定速率从内存中调取波形轮廓数据，并存储在其缓存器中的功能。

静态内存控制器8用于读取内存数据。

2、在数据处理单元DSP中设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数。

设置实例仿真条件：观测脉冲星周期2.9ms，观测时长3600s。航天器轨道选择近地轨道初始状态为[x_x0,x_y0,x_z0,v_x0,v_y0,v_z0]^T＝[-926017,6815516,0,972,132,-7549]^T，位置单位为米，速度单位为米/秒。

3、启动数据处理单元2工作，输出周期依轨道运动而变化的脉冲星信号。

DSP每间隔10us计算一次脉冲星周期，并将周期数值通过EMIF总线接口3传送给刷新波形周期器寄存器5。波形模拟控制器7依据刷新波形周期器寄存器5中的数值设定数模转换器控制器9读取静态内存10的速率，从而起到动态改变脉冲星信号周期的目的。

设f_osc为板载振荡器频率，N为存储在静态内存10中的波形点数，D为波形周期器寄存器5中的数值，利用以上参数波形模拟控制器7可计算信号周期P_out＝(N·D)/f_osc。因为N和f_osc是固定值，即只要刷新D即可改变信号的周期。

DSP中脉冲星信号瞬时周期的计算方法描述如下：

$P=\frac{1}{f_s+\frac{f_s}{c}{v}_n\left(t\right)}---\left(1\right)$

式(1)中，f_s表示脉冲星自转频率，c表示光速，v_n(t)是航天器在轨运动速度在脉冲星视线方向上的投影分量。

对于考虑其他天体摄动的航天器运行轨道，v_n可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{r}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\frac{\mathrm{\μ}}{r^3}r+\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i(\frac{r_{ri}}{r_{ri}^3}-\frac{r_{pi}}{r_{pi}^3})+\mathrm{\Δ}F\\ v_n=n\·v\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，r，v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；n_p为引力扰动天体的数目；r_ri和r_pi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，r_ri和r_pi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μ_i是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动等摄动力的影响；n为脉冲星方向矢量。

4、射线源流量控制器驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号

数模转换器11输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。当***工作时间达到设定工作时长后，***停止工作。

5、X射线探测器测量X射线光子到达事件，并被光子信息读出模块接收

发生的X射线光子到达事件由X射线探测器检测，并被光子信息读出设备记录时间标记，最后由数据处理计算机处理得到测试结果。

表1给出了DSP写入频率寄存器不同数值时，***所输出的信号频率，这些频率变化反应了航天器的在轨道运动。

表1波形输出频率测试

序号	频率寄存器(D)	波形频率[Hz]
			1	231	476.182
2	249	441.685
			3	267	411.910
4	285	385.892
			5	303	362.967
6	321	342.614
			7	339	324.422
8	357	308.064
			9	375	293.277
10	393	279.845

参见图1，本申请还提供一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟***，包括以下组件：

脉冲星轮廓波形载入计算机1，下载脉冲星的周期轮廓数据并将脉冲星的周期轮廓数据存储在静态内存10内；

数据处理单元2，设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数并隔一段时间计算脉冲星周期，并将周期数值通过EMIF总线接口3传送并存储在刷新波形周期器寄存器5中；

波形模拟控制器7，依据刷新波形周期器寄存器5中的数值设定数模转换器控制器9读取静态内存10的速率，从而动态改变脉冲星信号周期；

数模转换器11，接收数模转换器控制器9的信号，输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：

A、脉冲星轮廓波形载入计算机将脉冲星轮廓文件数据载入到下位机中的静态内存中并存储在静态内存中；

B、数据处理单元设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数后，每隔一段时间，计算一次脉冲星周期，并将周期数值存储在刷新波形周期器寄存器中；

C、波形模拟控制器依据刷新波形周期器寄存器中的数值设定数模转换器控制器读取静态内存的速率；

D、数模转换器输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。

2.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，还包括：

在步骤D之后，包括：

X射线光子到达事件被所述光子信息读出设备记录时间标记；

X射线光子到达事件通过光子信息读出设备发送至数据处理计算机，最后由数据处理计算机处理X射线光子到达事件，得到测试结果。

3.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤B的时间间隔为10微秒。

4.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤A的脉冲星轮廓文件数据通过计算机串口、串口控制器、传输缓存控制器、静态内存控制器下载到静态内存中。

5.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤B的脉冲星周期的计算方法表示为：

$P=\frac{1}{f_s+\frac{f_s}{c}{v}_n\left(t\right)}$

其中，f_s表示脉冲星自转频率，c表示光速，v_n(t)是航天器在轨运动速度在脉冲星视线方向上的投影分量。

6.根据权利要求5所述的半实物模拟方法，其特征在于，对于考虑其他天体摄动的航天器运行轨道，v_n可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{r}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\frac{\mathrm{\μ}}{r^3}r+\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i(\frac{r_{ri}}{r_{ri}^3}-\frac{r_{pi}}{r_{pi}^3})+\mathrm{\Δ}F\\ v_n=n\·v\end{array}\right.$

上式中，r，v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；n_p为引力扰动天体的数目；r_ri和r_pi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，r_ri和r_pi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μ_i是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动等摄动力的影响；n为脉冲星方向矢量。

7.X射线脉冲星动态信号的半实物模拟***，其特征在于，包括以下组件：

脉冲星轮廓波形载入计算机1，下载脉冲星的周期轮廓数据并将脉冲星的周期轮廓数据存储在静态内存内；

数据处理单元，设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数并隔一段时间计算脉冲星周期，并将周期数值通过EMIF总线接口传送并存储在刷新波形周期器寄存器中；

波形模拟控制器，依据刷新波形周期器寄存器中的数值设定数模转换器控制器读取静态内存的速率，从而动态改变脉冲星信号周期；

数模转换器，接收数模转换器控制器的信号，输出信号驱动X射线发生器发射对应流量的X射线信号。