本發(fā)明涉及航天器導航
技術領域：
，特別地，涉及一種X射線脈沖星動態(tài)信號的半實物模擬方法及系統(tǒng)，適用于脈沖星導航系統(tǒng)理論方法的驗證和工程技術的研究。
背景技術：
：X射線脈沖星導航技術是一種前瞻性的自主導航方法，它利用脈沖星輻射的X射線信號為航天器導航。脈沖星是一種高速旋轉的中子星，能夠以高精度穩(wěn)定的頻率輻射X射線信號，有些毫秒脈沖星的自轉周期長期穩(wěn)定度可以媲美當前的原子鐘。由于脈沖星遠離太陽系，脈沖星提供的高精度時間信息可以為地球軌道航天器和深空探測器提供位置參考信息，從而實現(xiàn)導航定位功能。由于其具有廣闊的應用前景，X射線脈沖星導航技術得到了國內外的廣泛關注。脈沖星X射線波段信號及其微弱，在地面上幾乎無法接收，因此為了進行脈沖星導航理論方法驗證和探測器研發(fā)，脈沖星信號地面模擬技術是當前的研究熱點。其中，航天器處接收到的脈沖星信號含有動態(tài)多普勒頻移，其變化隨航天器軌道運動而動態(tài)變化。若不加處理，這種信號頻率變化對導航精度影響很大，因此模擬脈沖星動態(tài)信號，進而研究脈沖星動態(tài)信號處理，對提高脈沖星導航精度有重要意義。模擬脈沖星動態(tài)信號對地面模擬方法的性能有很高的要求，是脈沖星信號地面模擬技術中的難點。在中國專利CN200910023357.0和CN200910023707.3的專利申請中提出了一種基于半導體激光器的X射線脈沖星信號模擬方法，該系統(tǒng)只能產生激光信號，與X射線脈沖星實際輻射的軟X射線信號差別很大。在中國專利CN200910023383.3的專利申請中提出的脈沖星模擬信號屬于脈沖星波形的電信號，也與X射線脈沖星實際輻射的信號有較大差別。中國專利CN201010140837.8的專利申請中提出了一種脈沖星X射線信號的模擬方法，但該方法僅能模擬脈沖星靜態(tài)信號，并不能準確模擬在軌航天器處脈沖星信號的動態(tài)多普勒頻移。中國專利CN201510156035.9的專利申請中提出了模擬在軌航天器處脈沖星信號的多普勒頻移的方法，但其依然不屬于X射線波段的信號。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種可靠性高、信號周期精確可控、信號波形可調制的X射線動態(tài)信號模擬方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術無法精確模擬X射線脈沖星信號的技術問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種X射線脈沖星動態(tài)信號的半實物模擬方法，包括以下步驟：A、脈沖星輪廓波形載入計算機將脈沖星輪廓文件數據載入到下位機中的靜態(tài)內存中并存儲在靜態(tài)內存中；B、數據處理單元設置航天器運動軌道參數、觀測脈沖星參數、觀測時長參數后，每隔一段時間，計算一次脈沖星周期，并將周期數值存儲在刷新波形周期器寄存器中；C、波形模擬控制器依據刷新波形周期器寄存器中的數值設定數模轉換器控制器讀取靜態(tài)內存的速率；D、數模轉換器輸出信號驅動X射線發(fā)生器發(fā)射對應流量的X射線信號。優(yōu)選的，還包括：在步驟D之后，包括：X射線光子到達事件被所述光子信息讀出設備記錄時間標記；X射線光子到達事件通過光子信息讀出設備發(fā)送至數據處理計算機，最后由數據處理計算機處理X射線光子到達事件，得到測試結果。優(yōu)選的，步驟B的時間間隔為10微秒。優(yōu)選的，步驟A的脈沖星輪廓文件數據通過計算機串口、串口控制器、傳輸緩存控制器、靜態(tài)內存控制器下載到靜態(tài)內存中。優(yōu)選的，步驟B的脈沖星周期的計算方法表示為：P=1fs+fscvn(t)]]>其中，fs表示脈沖星自轉頻率，c表示光速，vn(t)是航天器在軌運動速度在脈沖星視線方向上的投影分量。優(yōu)選的，對于考慮其他天體攝動的航天器運行軌道，vn可表示為，r·=vv·=-μr3r+Σi=1npμi(rrirri3-rpirpi3)+ΔFvn=n·v]]>上式中，r，v分別為航天器相對于中心天體的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；np為引力擾動天體的數目；rri和rpi分別為航天器相對于第i顆擾動天體與該天體相對于中心天體的位置矢量，rri和rpi分別為其對應的位置標量；μ是中心天體引力常數，μi是第i顆擾動天體的引力常數；ΔF為中心天體非球形攝動的高階攝動項以及太陽光壓攝動等攝動力的影響；n為脈沖星方向矢量。本申請還提供一種X射線脈沖星動態(tài)信號的半實物模擬系統(tǒng)，包括以下組件：脈沖星輪廓波形載入計算機1，下載脈沖星的周期輪廓數據并將脈沖星的周期輪廓數據存儲在靜態(tài)內存內；數據處理單元，設置航天器運動軌道參數、觀測脈沖星參數、觀測時長參數并隔一段時間計算脈沖星周期，并將周期數值通過EMIF總線接口傳送并存儲在刷新波形周期器寄存器中；波形模擬控制器，依據刷新波形周期器寄存器中的數值設定數模轉換器控制器讀取靜態(tài)內存的速率，從而動態(tài)改變脈沖星信號周期；數模轉換器，接收數模轉換器控制器的信號，輸出信號驅動X射線發(fā)生器發(fā)射對應流量的X射線信號。本發(fā)明具有以下有益效果：本方法可用于X射線脈沖星導航動態(tài)周期信號的半實物模擬，該方法操作簡便，模擬信號周期準確度高、動態(tài)信號輪廓精度高。有助于X射線脈沖星導航系統(tǒng)理論方法的驗證和工程技術的研究，解決了在軌航天器處動態(tài)信號模擬的難題，促進了脈沖星導航
技術領域：
研究工作的開展。并且本方法適用輻射源類型廣，可適用于自轉供能脈沖星、吸積供能脈沖星等多種空間X射線輻射源信號的模擬；適用X射線發(fā)生器種類廣，可適用于柵控X射線發(fā)生器、紫外調制X射線發(fā)生器、碼盤調制X射線發(fā)生器等；適用航天器軌道類型廣，可適用于地球低軌道、地球中高軌道以及深空軌道的動態(tài)信號模擬。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的系統(tǒng)結構示意圖；其中，1、脈沖星輪廓波形載入計算機，2、數據處理單元，3、EMIF總線接口，4、串口控制器，5、刷新波形周期器寄存器，6、傳輸緩存控制器，7、波形模擬控制器，8、靜態(tài)內存控制器，9、數模轉換器控制器，10、靜態(tài)內存，11、數模轉換器，12、FPGA芯片。具體實施方式以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以根據權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。本申請X射線脈沖星動態(tài)信號的半實物模擬方法，包括以下步驟：1、載入脈沖星輪廓文件在系統(tǒng)啟動后，操作脈沖星輪廓波形載入計算機1，通過計算機串口、串口控制器4、傳輸緩存控制器6、靜態(tài)內存控制器8，將脈沖星輪廓文件數據載入到下位機中的靜態(tài)內存10中。這樣靜態(tài)內存10中存儲了脈沖星一個周期的輪廓數據。傳輸緩存控制器6具有依據波形模擬控制器7的輸出信號按照其指定速率從內存中調取波形輪廓數據，并存儲在其緩存器中的功能。靜態(tài)內存控制器8用于讀取內存數據。2、在數據處理單元DSP中設置航天器運動軌道參數、觀測脈沖星參數、觀測時長參數。設置實例仿真條件：觀測脈沖星周期2.9ms，觀測時長3600s。航天器軌道選擇近地軌道初始狀態(tài)為[xx0,xy0,xz0,vx0,vy0,vz0]T＝[-926017,6815516,0,972,132,-7549]T，位置單位為米，速度單位為米/秒。3、啟動數據處理單元2工作，輸出周期依軌道運動而變化的脈沖星信號。DSP每間隔10us計算一次脈沖星周期，并將周期數值通過EMIF總線接口3傳送給刷新波形周期器寄存器5。波形模擬控制器7依據刷新波形周期器寄存器5中的數值設定數模轉換器控制器9讀取靜態(tài)內存10的速率，從而起到動態(tài)改變脈沖星信號周期的目的。設fosc為板載振蕩器頻率，N為存儲在靜態(tài)內存10中的波形點數，D為波形周期器寄存器5中的數值，利用以上參數波形模擬控制器7可計算信號周期Pout＝(N·D)/fosc。因為N和fosc是固定值，即只要刷新D即可改變信號的周期。DSP中脈沖星信號瞬時周期的計算方法描述如下：P=1fs+fscvn(t)---(1)]]>式(1)中，fs表示脈沖星自轉頻率，c表示光速，vn(t)是航天器在軌運動速度在脈沖星視線方向上的投影分量。對于考慮其他天體攝動的航天器運行軌道，vn可表示為，r·=vv·=-μr3r+Σi=1npμi(rrirri3-rpirpi3)+ΔFvn=n·v---(2)]]>式(2)中，r，v分別為航天器相對于中心天體的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；np為引力擾動天體的數目；rri和rpi分別為航天器相對于第i顆擾動天體與該天體相對于中心天體的位置矢量，rri和rpi分別為其對應的位置標量；μ是中心天體引力常數，μi是第i顆擾動天體的引力常數；ΔF為中心天體非球形攝動的高階攝動項以及太陽光壓攝動等攝動力的影響；n為脈沖星方向矢量。4、射線源流量控制器驅動X射線發(fā)生器產生脈沖星動態(tài)X射線光子信號數模轉換器11輸出信號驅動X射線發(fā)生器發(fā)射對應流量的X射線信號。當系統(tǒng)工作時間達到設定工作時長后，系統(tǒng)停止工作。5、X射線探測器測量X射線光子到達事件，并被光子信息讀出模塊接收發(fā)生的X射線光子到達事件由X射線探測器檢測，并被光子信息讀出設備記錄時間標記，最后由數據處理計算機處理得到測試結果。表1給出了DSP寫入頻率寄存器不同數值時，系統(tǒng)所輸出的信號頻率，這些頻率變化反應了航天器的在軌道運動。表1波形輸出頻率測試序號頻率寄存器(D)波形頻率[Hz]1231476.1822249441.6853267411.9104285385.8925303362.9676321342.6147339324.4228357308.0649375293.27710393279.845參見圖1，本申請還提供一種X射線脈沖星動態(tài)信號的半實物模擬系統(tǒng)，包括以下組件：脈沖星輪廓波形載入計算機1，下載脈沖星的周期輪廓數據并將脈沖星的周期輪廓數據存儲在靜態(tài)內存10內；數據處理單元2，設置航天器運動軌道參數、觀測脈沖星參數、觀測時長參數并隔一段時間計算脈沖星周期，并將周期數值通過EMIF總線接口3傳送并存儲在刷新波形周期器寄存器5中；波形模擬控制器7，依據刷新波形周期器寄存器5中的數值設定數模轉換器控制器9讀取靜態(tài)內存10的速率，從而動態(tài)改變脈沖星信號周期；數模轉換器11，接收數模轉換器控制器9的信號，輸出信號驅動X射線發(fā)生器發(fā)射對應流量的X射線信號。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3