專利名稱：基于半導體激光器的x射線脈沖星導航嵌入式模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及x射線脈沖星導航模擬系統(tǒng)， 用于模擬基于x射線脈沖星的軌道航天器自主天文導航。
背景技術(shù)：
基于x射線脈沖星的導航定位是一種利用x射線脈沖星輻射脈沖到達
時間測量作為信息輸入的天文導航方法，能為近地、深空及星際空間航天 器提供位置、速度、時間、姿態(tài)等豐富的導航信息。基于脈沖星的導航技
術(shù)最早由美國噴氣推進實驗室的德恩斯博士于1974年提出；1981年,美國 通信系統(tǒng)研究所的切斯特和巴特曼提出利用脈沖星X射線源為航天器導航 的構(gòu)想；1999年，搭載USA試驗設(shè)備的美國空軍"先進研究與全球觀測衛(wèi) 星"被發(fā)射進入預定軌道，USA開展空間科學試驗研究中包括了一項有關(guān)X 射線導航的主題研究；2004年8月，美國航空航天局和海軍天文臺等多家 單位著手擬定和啟動脈沖星導航的研究計劃，同時X射線脈沖星導航已納 入國防部長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要，并逐年增加項目研究經(jīng)費，持續(xù)開展脈 沖星導航的理論方法研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和原理樣機研制等方面的研究工 作。我國在空間科學十一五規(guī)劃中也包括了發(fā)射用于實現(xiàn)l-250keV寬頻段 X射線成像巡天的天文衛(wèi)星HXMT，其中的分系統(tǒng)一低能X射線，其頻段 為1.0-15keV，該X射線望遠鏡用于探索脈沖星導航。
國內(nèi)X射線脈沖星導航技術(shù)研究起步較晚，主要集中在X射線脈沖星 導航原理和脈沖星信號處理上，主要研究有
1、 "帥平，陳紹龍，吳一帆，et al. X射線脈沖星導航原理[J].宇航學報. 2007， 28(6): 1538-1543"對基于X射線脈沖星的衛(wèi)星自主導航的基本框架 和實現(xiàn)流程做了介紹，概述了X射線脈沖導航的時空基準，研究了X射線 脈沖星導航定位的測量方程、系統(tǒng)狀態(tài)方程及噪聲統(tǒng)計特征等數(shù)學模型。
2、 "李建勛，柯熙政.基于脈沖星定時模型的自主導航定位方法[J].中 國科學(G輯:物理學力學天文學).2009(02)."討論卞脈沖星定時模型的 基本原理，在分析脈沖到達時刻(time of arrival, TOA)向太陽系質(zhì)心傳遞時 的各項時間延遲修正的基礎(chǔ)上,給出了航天器進行深空自主定位的一種迭代方法，并推導了定位算法的線性化形式。
3、"謝振華，許錄平，郭偉，et al. —種新的XPNAV系統(tǒng)解脈沖周期模 糊算法[J].電子與信息學報.2008(09)."針對脈沖星導航中脈沖整周期數(shù) 模糊問題，提出了一種基于正交原理的解脈沖整周期數(shù)模糊問題，能減小 現(xiàn)有搜索空間解脈沖整周期數(shù)模糊算法的計算量，便于工程實現(xiàn)。 4、"謝振華，許錄平，倪廣仁.基于一維選擇線譜的脈沖星輻射脈沖信號 辨識[J].物理學報,2008, 26(3): 187-195."為了提高脈沖星輻射脈沖信號辨 識效果,利用雙譜技術(shù)提取了脈沖星累積脈沖輪廓的非線性和非高斯特征， 抽取雙譜圖中具有最強類別可分離度的一維線譜特征向量構(gòu)成特征模板， 獲得了比選擇雙譜更好的辨識效果。
5、 "Kai X， Liangdong W C A L. The use of X-ray pulsars for aiding navigation of satellites in constellations[J]. Acta As加nautica. 2008, 14(2): 1-10."提出一種利用X射線脈沖星進行星座自主導航方法，能為空間衛(wèi) 星網(wǎng)提供統(tǒng)一的時間基準，有效抑制衛(wèi)星星座整體漂移現(xiàn)象。
這些研究內(nèi)容均假設(shè)x射線脈沖星輻射信號已經(jīng)接收并可直接使用， 沒有考慮X射線脈沖星信號輻射和接收過程的特殊性。由于X射線脈沖星
信號十分微弱，而大氣又阻擋x射線，地面設(shè)施很難捕獲到空間X射線脈 沖星輻射信號，因此開展x射線脈沖星導航實驗及原理驗證要在大氣以外 的地球軌道衛(wèi)星上進行。但由于x射線脈沖星導航試驗研究的專用衛(wèi)星造
價高，涉及的技術(shù)廣而復雜，因此建立相對廉價、研制方便、信號輻射和
探測機制與實際情況相符合的X射線脈沖星模擬系統(tǒng)對X射線脈沖星導航
研究具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于半導體激光
器的X射線脈沖星導航模擬系統(tǒng)，以建立信號輻射和探測機制與實際情況 相符合的x射線脈沖星模擬系統(tǒng)，為導航信號的獲取、信號處理、時間同
步和導航設(shè)計驗證提供完整的仿真實驗平臺。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明系統(tǒng)包括
數(shù)據(jù)模擬單元，用于模擬x射線脈沖星輻射信號數(shù)據(jù)，并將模擬信號數(shù)據(jù)通過并行總線送至光子發(fā)送單元；
光子發(fā)射單元，使用接收的模擬信號數(shù)據(jù)，通過激光調(diào)制器對激光光強 進行調(diào)制，并將調(diào)制后的激光束通過光學天線輻射出去；
光子探測單元，用于接收光子發(fā)射單元的激光，濾除背景日光中非激光 光譜成分，并對接收的激光進行光子計數(shù)，送入導航實驗單元；
導航實驗單元，用于對光子探測單元的數(shù)據(jù)進行消噪、脈沖輪廓累計和 脈沖到達時間測量處理，并利用時間測量數(shù)據(jù)進行導航實驗。
所述的數(shù)據(jù)模擬單元，包括用戶接口單元、未傳播脈沖星信號生成單 元、傳播過程模擬單元、坐標時轉(zhuǎn)換單元、衛(wèi)星軌道生成單元和加噪單元； 該用戶接口單元，用于接收用戶輸入的脈沖星號、日期、衛(wèi)星軌道、信噪 比，并送至未傳播脈沖星信號生成單元；未傳播脈沖星信號生成單元，用 于根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，提取脈沖星和衛(wèi)星軌道參數(shù)庫中的脈沖到達時間 模型和累積脈沖輪廓模型，生成未傳播脈沖星輻射信號，送至傳播過程模 擬單元；傳播過程模擬單元，用于根據(jù)未傳播脈沖星輻射信號，提取脈沖 星及衛(wèi)星軌道參數(shù)庫參數(shù)生成受天體引力效應(yīng)影響后的脈沖星輻射信號， 送至坐標時轉(zhuǎn)換單元；坐標時轉(zhuǎn)換單元，用于通過調(diào)用太陽系屬性庫參數(shù)， 將脈沖星輻射信號從SSB坐標時下轉(zhuǎn)換到SCCS坐標時下，并送至衛(wèi)星軌道 生成單元；衛(wèi)星軌道生成單元，用于通過調(diào)用衛(wèi)星軌道參數(shù)庫中的軌道參 數(shù)生成衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)對脈沖星輻射信號調(diào)整后，送至加噪 單元；加噪單元，用于對脈沖星輻射信號加入X射線背景噪聲，探測器震 蕩噪聲和X射線探測器噪聲。
所述的光子發(fā)送單元，包括GPS定時接收機、溫補晶振、第一 FPGA 芯片、D/A轉(zhuǎn)換芯和激光調(diào)制驅(qū)動模塊；該FPGA芯片接收數(shù)據(jù)模擬單元數(shù) 據(jù)、GPS定時接收機的秒脈沖信號和溫補晶振時鐘信號，經(jīng)過內(nèi)部邏輯處 理后，通過D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，輸入到激光調(diào)制驅(qū)動模塊。
所述的光子探測單元，包括光學接收天線、光衰減器、帶通濾光器、 光子檢測計數(shù)器、GPS定時接收機、溫補晶振和第二FPGA芯片；該光學接 收天線接收激光光子，通過光衰減器衰減、帶通濾光器濾光后，送入光子 計數(shù)器對光子進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送入該FPGA芯片，同時該FPGA芯片接收GPS定時接收機和溫補晶振的時鐘信號對計數(shù)結(jié)果進行處理，并將處理 結(jié)果送入導航試驗單元。
所述的導航實驗單元，包括用戶接口單元、脈沖星信號辨識單元、消 噪單元、坐標時修正單元、到達時間測量單元、解模糊單元和導航定位解 算單元；用戶接口單元，用于接收用戶輸入的脈沖星號、日期、衛(wèi)星軌道、 信噪比，送至脈沖星信號辨識單元；脈沖星信號辨識單元，用于對接收的 脈沖星信號進行辨識并識別出脈沖星后后，送入消噪單元；消噪單元，用 于對脈沖星信號進行噪聲濾除后，送入坐標時修正單元；坐標時修正單元， 用于根據(jù)識別結(jié)果從脈沖星屬性庫和太陽系屬性參數(shù)庫中提取參數(shù)，完成 固有時到太陽系質(zhì)心坐標時轉(zhuǎn)換；到達時間測量單元，用于對脈沖星信號 進行周期疊加，并測量脈沖星輻射脈沖到達時間與到達時間預測模型間的 相位差余值，并送至解模糊單元；解模糊單元，用于根據(jù)相差余值解算航 天器所在軌道位置到SSB的脈沖整周期數(shù)，送至導航定位解算單元；導航 定位解算單元，用于根據(jù)相位差余值和脈沖整周期數(shù)通過導航解算和估計 方法對航天器位置進行估計。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1) 本發(fā)明采用了信號模型和實測數(shù)據(jù)互補生成的方法模擬X射線脈沖 星輻射信號數(shù)據(jù)，便于理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的對比分析；
2) 本發(fā)明使用調(diào)制后的半導體激光器的激光輻射模擬X射線脈沖星輻 射，使得物理形式上更接近真實信號；
3) 本發(fā)明采用光子探測計數(shù)器模擬航天器載X射線探測器，二者在光 子探測與計數(shù)方式上具有一致性；
4) 本發(fā)明在光子發(fā)送和光子接收時，均采用GPS定時接收機和溫補晶 振配合數(shù)字鎖相環(huán)模擬星載原子鐘，以較廉價的方式獲得了高精度的時鐘;
5) 本發(fā)明由于采用以ARM和FPGA芯片為系統(tǒng)處理核心，系統(tǒng)的集 成度高，性能優(yōu)良，具有良好的可交互性，便于進行室外實驗。
6) 本發(fā)明在信號輻射和信號探測機制上與實際情況相符合，能為導航 信號的獲取、信號處理、時間同步和導航設(shè)計驗證提供完整的仿真實驗平 臺。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模擬單元功能框圖； 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中的光子發(fā)射單元功能框圖； 圖4是是本發(fā)明系統(tǒng)中的激光調(diào)制驅(qū)動器功能框圖； 圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中的光子探測單元功能框圖； 圖6是本發(fā)明系統(tǒng)中的FPGA內(nèi)部邏輯功能框圖； 圖7是本發(fā)明系統(tǒng)中的導航實驗單元功能框圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明的X射線脈沖星導航模擬系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)模擬單元、 光子發(fā)射單元、光子探測單元與導航算法單元。其中，數(shù)據(jù)模擬單元與光 子發(fā)射單元雙向連接，光子探測單元與導航算法單元單向連接，光子發(fā)射 單元的激光信號經(jīng)過大氣傳播后由探測單元接收。該數(shù)據(jù)模擬單元模擬X 射線脈沖星輻射信號數(shù)據(jù)通過并行總線送至光子發(fā)送單元；光子發(fā)射單元 接收數(shù)據(jù)模擬單元的模擬數(shù)據(jù)，同時生成高穩(wěn)定的時鐘信號，并提供給數(shù) 據(jù)模擬單元，該模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存和修正轉(zhuǎn)換后，由激光調(diào)制驅(qū)動器對激 光光強進行調(diào)制，并將調(diào)制后的激光束通過光學天線輻射到大氣；光子探 測單元從大氣中接收光子發(fā)射單元的激光，濾除背景日光中非激光光譜成 分，并對接收的激光進行光子計數(shù)后，送入導航實驗單元；導航實驗單元 接收光子探測單元的計數(shù)數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行消噪、脈沖輪廓累計和脈 沖到達時間測量處理，并利用時間測量數(shù)據(jù)進行導航實驗。
參照圖2 ，所述數(shù)據(jù)模擬單元包括型號為S3C2440的第一 ARM 芯片、第一外圍和第一 Flash存儲器。該外圍包括鍵盤、顯示器和基于型 號為CS8900芯片的以太網(wǎng)接口；用戶通過鍵盤選擇脈沖星號、仿真日期、 衛(wèi)星軌道，輸入模擬信號噪聲比、脈沖星周期躍變、零脈沖、據(jù)脈沖發(fā)生 概率，傳至第一處理器ARM，該ARM同時將這些數(shù)據(jù)回顯到顯示器；模 擬X射線脈沖星數(shù)據(jù)所需的各種參數(shù)和實測數(shù)據(jù)，包括脈沖星屬性、航天 器軌道數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、太陽系行星數(shù)據(jù)、X射線探測器實測數(shù)據(jù)，通過 以太網(wǎng)接口輸入到第一 ARM，并存儲于第一 Flash存儲器。該Flash存儲器存儲噪聲參數(shù)庫、太陽系行星參數(shù)庫、衛(wèi)星軌道參數(shù)庫和脈沖星屬性參
數(shù)庫；噪聲參數(shù)庫存儲探測器噪聲參數(shù)、宇宙X射線背景輻射噪聲參數(shù)、 原子鐘震蕩噪聲參數(shù)、脈沖星傳播路徑噪聲參數(shù)和衛(wèi)星軌道噪聲參數(shù)；太 陽系行星參數(shù)庫包括太陽系行星星歷、太陽系行星引力常數(shù)、太陽引力常 數(shù)及時空基準維持參數(shù)。該ARM包括未傳播輻射脈沖生成模塊、傳播 過程模擬模塊、坐標時轉(zhuǎn)換模塊、衛(wèi)星運動軌道生成、加噪聲模塊；未傳 播輻射脈沖生成模塊獲取用戶輸入的各種屬性參數(shù)，從存儲模塊調(diào)入TOA 預測模型和標準累計脈沖輪廓模型，生成標準累積脈沖輪廓送入傳播過程 模擬模塊；傳播過程模擬模塊接收未傳播輻射脈沖生成模塊生成的標準累 積脈沖輪廓數(shù)據(jù)，從脈沖星屬性參數(shù)庫調(diào)入脈沖星方位、距離、速度、星 歷和太陽、木星等質(zhì)量參數(shù)，并從衛(wèi)星軌道參數(shù)庫調(diào)入衛(wèi)星軌道及軌道噪 聲參數(shù)，利用相位演化模型計算脈沖星輻射脈沖到達航天器和SSB的相位 差，送至坐標時轉(zhuǎn)換模塊；坐標時轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)傳播過程模擬模塊輸出的 相位差數(shù)據(jù)，從航天器軌道參數(shù)數(shù)據(jù)庫調(diào)入航天器軌道參數(shù)、軌道噪聲參 數(shù)和航天器星歷，將SSB坐標時下脈沖星輻射脈沖的相位演化模型轉(zhuǎn)換到 SCCS下的相位演化模型，并送至衛(wèi)星軌道生成模塊；衛(wèi)星軌道生成模塊 根據(jù)SCCS下的相位演化模型生成用于激光調(diào)制的數(shù)據(jù)，并對每個采樣點 加上時間標記，送至加噪模塊；加噪模塊從噪聲參數(shù)庫調(diào)入噪聲參數(shù)庫存 儲探測器噪聲參數(shù)、宇宙X射線背景輻射噪聲參數(shù)、原子鐘震蕩噪聲參數(shù)、 脈沖星輻射傳播路徑噪聲參數(shù)和衛(wèi)星軌道噪聲參數(shù)分別生成探測器噪聲、 宇宙X射線背景輻射噪聲、原子鐘震蕩噪聲、脈沖星輻射傳播路徑噪聲和 衛(wèi)星軌道噪聲，并加入到衛(wèi)星軌道生成模塊輸出的數(shù)據(jù)中，發(fā)送至光子發(fā) 射單元。
參照圖3，所述的光子發(fā)送單元包括第一 GPS定時接收機、第一高 溫補晶振、第一 FPGA芯片、D/A轉(zhuǎn)換芯和激光調(diào)制驅(qū)動模塊；該FPGA芯 片內(nèi)部邏輯包括數(shù)字鎖相環(huán)DPLL模塊、時鐘分配模塊、FIFO模塊和激光 調(diào)制器非線性補償模塊；該GPS定時接收機輸出高穩(wěn)定的lpps脈沖，與 短時穩(wěn)定性較好的第一溫補晶振的輸出時鐘信號一起送入DPLL模塊綜合， 得到高精度、高穩(wěn)定性的時鐘信號送至時鐘分配模塊；時鐘分配模塊按需求將該時鐘信號分配給FIFO模塊、D/A轉(zhuǎn)換芯片和非線性補償模塊；FIFO 模塊在時鐘驅(qū)動下接收數(shù)據(jù)模擬單元的數(shù)據(jù)，緩沖后送入非線性補償模塊； 非線性補償模塊根據(jù)激光調(diào)制驅(qū)動的非線性特性對數(shù)據(jù)進行補償，并根據(jù) 數(shù)據(jù)中的時間標記所標記的時刻，將補償后的數(shù)據(jù)送入D/A模塊；D/A模 塊對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送至激光調(diào)制驅(qū)動模塊。
參照圖4，所述的激光調(diào)制驅(qū)動模塊包括功放電路、驅(qū)動電路、半導 體激光器、發(fā)射天線、穩(wěn)壓電路和保護電路；D/A模塊的模擬信號經(jīng)功放 電路放大，送至驅(qū)動電路；驅(qū)動電路將來自功放的信號轉(zhuǎn)換為直接驅(qū)動半 導體激光器的電流信號對半導體激光器進行光強調(diào)制；半導體激光器功率 使用波長850nm、功率100mW的紅光半導體激光器，經(jīng)電流調(diào)制后，送 入發(fā)射天線，形成激光束，以一定發(fā)射角發(fā)射入大氣，經(jīng)過大氣通道后， 送入光子探測單元；穩(wěn)壓電路經(jīng)激光器保護電路后為半導體激光器提供穩(wěn) 壓電源。
參照圖5，所述的光子探測單元包括接收光學天線、光衰減器、帶 通濾光器、光子探測計數(shù)器、第二FPGA芯片、第二GPS定時接收機和第 二溫補晶振；光子發(fā)射單元發(fā)射的激光由該接收光學天線接收，經(jīng)過衰減 器衰減、濾光器濾光后，送至光子探測計數(shù)器；光子探測計數(shù)器檢測光子 并對光子進行計數(shù)，計數(shù)數(shù)據(jù)送入FPGA芯片；該FPGA芯片同時接收光 子探測計數(shù)器計數(shù)數(shù)據(jù)、該GPS定時接收機信號和該溫補晶振的信號，對 該計數(shù)數(shù)據(jù)使用FPG芯片內(nèi)部邏輯處理后，送至導航實驗單元。
參照圖6，所述的FPGA芯片內(nèi)部邏輯包括DPLL模塊、時間保持模 塊、光子數(shù)統(tǒng)計模塊、FIFO模塊、TOA預測模塊；該DPLL模塊使用來 自第二 GPS定時接收機和第二溫補晶振信號，綜合得到高穩(wěn)定的時鐘信號， 提供給時間保持模塊、光子數(shù)統(tǒng)計模塊和FIFO模塊；該時間保持模塊保 持本地時間和SSB坐標時，并分別提供給FIFO模塊和TOA預測模塊；該 TOA預測模塊使用時間保持模塊的提供的SSB坐標時，利用相位演化模型 預測脈沖星輻射脈沖到達時間；該FIFO模塊接收光子數(shù)統(tǒng)計模塊和TOA 預測模塊的數(shù)據(jù)，并利用時間保持模塊提供的時間，將這些數(shù)據(jù)標上時間 標記，送入導航實驗單元。參照圖7，所述數(shù)據(jù)模擬單元硬件包括第二ARM芯片、第二 Flash 存儲器及第二外圍。該外圍包括鍵盤、顯示器和型號為CS8900芯片的以 太網(wǎng)接口；用戶通過鍵盤選擇脈沖星號、仿真日期、衛(wèi)星軌道，輸入模擬 信號噪聲比、脈沖星周期躍變、零脈沖、據(jù)脈沖發(fā)生概率，傳至第二ARM， 該ARM同時將這些數(shù)據(jù)回顯到顯示器；模擬X射線脈沖星數(shù)據(jù)所需的各 種參數(shù)和實測數(shù)據(jù)，包括脈沖星屬性、航天器軌道數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、太陽 系行星數(shù)據(jù)、X射線探測器實測數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)接口輸入到第二ARM， 并存儲于第二 Flash存儲器。該第二 Flash存儲器存儲噪聲參數(shù)庫、太陽系 行星參數(shù)庫、衛(wèi)星軌道參數(shù)庫和脈沖星屬性參數(shù)庫；噪聲參數(shù)庫存儲探測 器噪聲參數(shù)、宇宙X射線背景輻射噪聲參數(shù)、原子鐘震蕩噪聲參數(shù)、脈沖 星傳播路徑噪聲參數(shù)和衛(wèi)星軌道噪聲參數(shù)；太陽系行星參數(shù)庫包括太陽系 行星星歷、太陽系行星引力常數(shù)、太陽引力常數(shù)及時空基準維持參數(shù)。該 第二ARM包括脈沖星信號辨識模塊、消噪模塊、坐標時調(diào)整模塊、TOA 測量模塊、解模糊模塊和導航定位解算模塊；脈沖星信號辨識模塊接收來 自光子探測單元的數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)辨識出脈沖星，并從脈沖星屬性參數(shù) 庫中提取該脈沖星特征周期，然后對該數(shù)據(jù)按周期疊加，形成累積脈沖輪 廓，送至消噪模塊；消噪模塊從噪聲參數(shù)數(shù)據(jù)庫中提取噪聲參數(shù)，對累積 脈沖輪廓消噪后，送至TOA測量模塊；TOA測量模塊利用累積脈沖輪廓 和TOA預測模型比對得到航天器相對于SSB時間差余值，送至坐標時調(diào) -整模塊；坐標時調(diào)整模塊從太陽系行星參數(shù)庫調(diào)用太陽系行星星歷、太陽 系行星引力常數(shù)和太陽引力常數(shù)，對該脈沖星輻射脈沖TOA進行相對于 SSB坐標時的粗略修正后，送至解模糊模塊；解模糊模塊從太陽系行星參 數(shù)庫調(diào)用太陽系行星星歷、太陽系行星引力常數(shù)和太陽引力常數(shù)解算航天 器相對于SSB的脈沖整周期數(shù)，送至導航定位解算模塊；導航定位解算模 塊，解算出航天器軌道位置后，同從衛(wèi)星軌道參數(shù)庫提取軌道狀態(tài)，計算 理論軌道位置；理論軌道位置和解算軌道位置通過網(wǎng)口送至上位機，同時 顯示在用戶界面上。
本發(fā)明可以模擬X射線脈沖星的導航系統(tǒng)中包括星載嵌入式計算機平 臺在內(nèi)的大部分技術(shù)，也可以作為脈沖星導航系統(tǒng)中新理論、新算法的驗證平臺，同時本發(fā)明也可以與其它半物理仿真系統(tǒng)結(jié)合，用于組合導航系 統(tǒng)的仿真研究。上述給出了本發(fā)明的一個具體實施例，ARM和FPGA構(gòu)建的嵌入式處 理器也可以使用其它具有類似功能的處理器實現(xiàn)，如DSP;紅光激光器也 可以使用其它波長激光器代替，如綠光激光器；本領(lǐng)域研究人員可以根據(jù) 實際條件選擇合適的器件。本說明未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種基于半導體激光器的X射線脈沖星導航嵌入式模擬系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)模擬單元，用于模擬X射線脈沖星輻射信號數(shù)據(jù)，并將模擬信號數(shù)據(jù)通過并行總線送至光子發(fā)送單元；光子發(fā)射單元，使用接收的模擬信號數(shù)據(jù)，通過激光調(diào)制器對激光光強進行調(diào)制，并將調(diào)制后的激光束通過光學天線輻射出去；光子探測單元，用于接收光子發(fā)射單元的激光，濾除背景日光中非激光光譜成分，并對接收的激光進行光子計數(shù)，送入導航實驗單元；導航實驗單元，用于對光子探測單元的數(shù)據(jù)進行消噪、脈沖輪廓累計和脈沖到達時間測量處理，并利用時間測量數(shù)據(jù)進行導航實驗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的 數(shù)據(jù)模擬單元，包括用戶接口單元，用于接收用戶輸入的脈沖星號、日期、衛(wèi)星軌道、 信噪比；未傳播脈沖星信號生成單元，用于通過提取脈沖星和衛(wèi)星軌道參數(shù) 庫中的脈沖到達時間模型和累積脈沖輪廓模型，生成未傳播脈沖星輻射 信號；傳播過程模擬單元，用于通過接收未傳播脈沖星輻射信號并提取脈 沖星及衛(wèi)星軌道參數(shù)庫參數(shù)生成受天體引力效應(yīng)影響后的脈沖星輻射 信號；坐標時轉(zhuǎn)換單元，用于通過調(diào)用太陽系屬性庫參數(shù)將SSB坐標時轉(zhuǎn) 換到SCCS坐標時；衛(wèi)星軌道生成單元，用于通過調(diào)用衛(wèi)星軌道參數(shù)庫中的軌道參數(shù)生 成衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)；加噪單元，用于對模擬的脈沖星輻射信號加入X射線背景噪聲，探 測器震蕩噪聲和X射線探測器噪聲；所述的用戶接口單元與未傳播脈沖星信號生成單元通過外部總線連 接，未傳播脈沖星信號生成單元、傳播過程模擬單元、坐標時轉(zhuǎn)換單元、 衛(wèi)星軌道生成單元和加噪單元通過內(nèi)部總線依次連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的光 子發(fā)送單元，包括第一 GPS定時接收機、第一溫補晶振、第一 FPGA 芯片、D/A轉(zhuǎn)換芯和激光調(diào)制驅(qū)動模塊；該FPGA芯片接收數(shù)據(jù)模擬單元 數(shù)據(jù)、GPS定時接收機的秒脈沖信號和溫補晶振時鐘信號，經(jīng)過內(nèi)部邏 輯處理、D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后，輸入到激光調(diào)制驅(qū)動模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于第一FPGA 芯片內(nèi)設(shè)有數(shù)字鎖相環(huán)DPLL模塊、時鐘分配模塊、FIFO模塊和激光 調(diào)制器非線性補償模塊，其中DPLL模塊接收GPS定時接收機和溫補晶 振的時鐘信號進行頻率綜合形成高穩(wěn)定、高精度的時鐘信號，并通過時 鐘分配模塊分配給D/A轉(zhuǎn)換芯片、FIFO模塊和非線性補償模塊；該FIFO 模塊用于緩存接收的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過非線性補償模塊修正后，送入D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號，并送入激光調(diào)制器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于激光調(diào)制 驅(qū)動模塊包括功放電路、驅(qū)動電路、半導體激光器、光學發(fā)送天線、穩(wěn) 壓電路和保護電路；功放電路將D/A輸出信號放大，放大后信號經(jīng)驅(qū)動 電路驅(qū)動激光器發(fā)射激光束，激光束經(jīng)過光學發(fā)射天線發(fā)射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于所述的光 子探測單元，包括光學接收天線、光衰減器、帶通濾光器、光子檢測計 數(shù)器、第二 GPS定時接收機、第二溫補晶振和第二 FPGA芯片;該光學 接收天線接收激光光子，通過光衰減器衰減、帶通濾光器濾光后，送入 光子計數(shù)器對光子進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送入該FPGA芯片，同時該FPGA 芯片接收該GPS定時接收機和改溫補晶振的時鐘信號對計數(shù)結(jié)果進行處 理，并將處理結(jié)果送入導航試驗單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于第二FPGA 芯片內(nèi)部設(shè)有數(shù)字鎖相環(huán)DPLL模塊、時間保持模塊、光子數(shù)統(tǒng)計模 塊、FIFO模塊和到達時間預測模塊；該DPLL模塊接收GPS定時接收機 和溫補晶振的信號進行頻率綜合形成時鐘信號分別送入到時間保持模 塊、光子計數(shù)模塊、FIFO模塊和到達時間預測模塊；該光子計數(shù)模塊對 光子探測器的計數(shù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；該到達時間預測模塊生成SSB坐標時下的累積脈沖輪廓數(shù)據(jù)；該時間保持模塊保持太陽系質(zhì)心坐標時；光子 計數(shù)模塊、到達時間預測模塊和時間保持模塊的數(shù)據(jù)均采用分時方式送 入FIFO模塊緩存后，輸入到導航實驗單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式模擬系統(tǒng)，其特征在于導航實驗 單元包括-用戶接口單元，用于接收用戶輸入的脈沖星號、日期、衛(wèi)星軌道、 信噪比；脈沖星信號辨識單元，用于對接收的脈沖星信號進行辨識并識別 出脈沖星；消噪單元，用于對接收的脈沖星信號進行噪聲濾除； 坐標時修正單元，用于根據(jù)識別結(jié)果從脈沖星屬性庫和太陽系屬性 參數(shù)庫中提取參數(shù)，完成固有時到太陽系質(zhì)心坐標時轉(zhuǎn)換；到達時間測量單元，用于對脈沖星信號進行周期疊加，并測量脈沖 星輻射脈沖到達時間與到達時間預測模型間的相位差余值；解模糊單元，用于解算航天器所在軌道位置到SSB的脈沖整周期數(shù); 導航定位解算單元，用于通過導航解算和估計方法對航天器位置進 行估計；所述用戶接口單元與脈沖星信號辨識單元通過外部總線連接，脈沖 星信號辨識單元、坐標時修正單元、消噪單元、T0A測量單元、解模糊 單元和導航定位解算單元通過內(nèi)部總線依次連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于半導體激光器的X射線脈沖星導航嵌入式模擬系統(tǒng)，它包括數(shù)據(jù)模擬單元、光子發(fā)射單元、光子探測單元和導航實驗單元；數(shù)據(jù)模擬單元模擬X射線脈沖星輻射信號數(shù)據(jù)送至光子發(fā)射單元；光子發(fā)射單元使用模擬數(shù)據(jù)對激光調(diào)制激光器光強調(diào)制并將激光輻射入大氣；光子探測單元從大氣中接收光子發(fā)射單元的激光，濾除背景日光中非激光光譜成分，并對接收的激光進行光子計數(shù)后，送入導航實驗單元；導航實驗單元對光子探測單元的數(shù)據(jù)進行消噪、脈沖輪廓累計和脈沖到達時間測量處理，并利用時間測量數(shù)據(jù)進行導航實驗。本發(fā)明能為導航信號的獲取、信號處理、時間同步和導航設(shè)計驗證提供完整的仿真實驗平臺。
文檔編號G01C21/24GK101608919SQ20091002335
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者華 張, 楠 羅, 哲 蘇, 許錄平, 謝振華 申請人:西安電子科技大學