CN103105811A - X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器自主导航技术领域，涉及一种X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统；包括数据库模块、时间延迟模块、脉冲星编号模块、周期控制模块、高稳时钟模块、通信模块、SRAM数据暂存模块、FIASH数据存储模块、数模转换模块、地址编码模块、低通滤波模块和功率放大模块，相位增量寄存模块、加法模块和相位累加模块，外围设备X射线源；本发明适用于X射线脉冲星导航地面试验验证系统，用于X射线脉冲星导航相关关键技术的地面半物理闭环验证，如空间X射线探测器的标定、脉冲轮廓的提取、脉冲相位的测量、脉冲到达时间的确定、大尺度时空基准和导航算法的验证等。

Description

X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统

技术领域

本发明属于航天器自主导航技术领域，涉及一种X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统。

背景技术

X射线脉冲星导航为航天器长时间高精度自主导航提供了一种可行途径。在开展X射线脉冲星导航空间试验之前，需要在地面对X射线脉冲星导航相关关键技术进行验证，然而脉冲星辐射的X射线难于穿过地球稠密大气层，因而需要建立X射线脉冲星模拟源系统，实现对脉冲星X射线的模拟输出。

目前，关于X射线脉冲星导航地面试验系统研究，“X射线脉冲星导航半实物仿真系统”（201010022035.7）发明专利只是简略介绍了一种实现X射线脉冲星导航半实物仿真的系统组成，并未详细说明各组成部分的具体实施方式；“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置”（201010140837.8）发明专利所述的X射线脉冲星导航地面模拟装置利用机械调制的方法来产生一定轮廓的脉冲信号，由于需要频繁更换调制盘来模拟不同的脉冲星，该方法操作繁琐而且产生的脉冲轮廓稳定度较差，可调制频率不高，难以实现任意波形的脉冲轮廓；“一种任意波形X射线发生装置及产生方法”（201210087972.X）发明专利，并未说明任意波形脉冲轮廓产生方式的具体实施方式和步骤。

X射线脉冲星导航地面试验信号控制方法，是利用FPGA基于直接数字频率合成（DDS）方法来实现高稳定度任意脉冲轮廓信号的输出。由于是采用直接数字频率合成（DDS）的方法，因而可以输出任意脉冲轮廓的X射线信号，避免了机械调制方法更换模拟源时操作繁琐和重复性差的缺点。由于该方法采用高稳定时间频率系统作为驱动时钟信号，因而能实现高稳定度X射线脉冲信号的输出，避免了机械调制方法稳定度差的缺点。X射线脉冲星导航地面试验信号控制装置及方法适用于X射线脉冲星导航地面试验验证系统，为X射线脉冲星导航相关关键技术的地面半物理闭环验证提供高稳定的X射线脉冲星模拟源系统，从而实现空间X射线探测器的标定、脉冲轮廓的提取、脉冲相位的测量、脉冲到达时间的确定、大尺度时空基准和导航算法等关键技术的验证。

发明内容

本发明的目的就在于：克服传统的X射线脉冲星脉冲轮廓生成方式存在的问题和缺陷，提供一种利用FPGA基于直接数字频率合成（DDS）方法实现高稳定任意脉冲轮廓信号输出的控制方法，为X射线脉冲星导航相关关键技术的地面半物理闭环验证提供高稳定的X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统，从而实现空间X射线探测器的标定、脉冲轮廓的提取、脉冲相位的测量、脉冲到达时间的确定、大尺度时空基准和导航算法等关键技术的验证。

本发明的技术解决方案：

X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统，主要包括：数据库模块、时间延迟模块、脉冲星编号模块、周期控制模块、高稳时钟模块、通信模块、SRAM数据暂存模块、FLASH数据存储模块、数模转换模块、地址编码模块、低通滤波模块和功率放大模块，相位增量寄存模块、加法模块和相位累加模块，外围设备X射线源；

数据库模块、时间延迟模块、脉冲星编号模块、周期控制模块分别与通信模块相连，通信模块又与SRAM数据暂存模块相连，SRAM数据暂存模块分别与FLASH数据存储模块、地址编码模块、相位增量寄存模块、数模转换模块以及相位累加寄存模块相连，FLASH数据存储模块还与地址编码模块相连，地址编码模块与相位累加模块相连，相位增量寄存模块与加法模块相连，加法模块和相位累加模块相连，数模转换模块、低通滤波模块功率放大模块和X射线源串联，高稳时钟模块与加法模块相连；

步骤一：数据库模块将脉冲星参数数据通过通信模块存储到SRAM数据暂存模块中；

步骤二：SRAM数据暂存模块将脉冲星参数数据发给FLASH数据存储模块，同时，地址编码模块通过FLASH数据存储模块内数据占用空间地址的情况，自动进行地址编码，接步骤七；

步骤三：从脉冲星编号模块、周期控制模块、时间延迟模块分别发出脉冲星编号、脉冲星周期参数以及时间延迟量通过通信模块发给SRAM数据暂存模块中，分别发给步骤四、五、六；

步骤四：其中，SRAM数据暂存模块中的脉冲星周期参数发给相位增量寄存模块，用来控制输出X射线信号的周期；

步骤五：SRAM数据暂存模块发出脉冲星编号给地址编码模块，为了标记出每一个脉冲星的起始地址；

步骤六：SRAM数据暂存模块发出时间延迟量给相位累加模块，设置相位偏移地址量，该相位偏移地址量又发给地址编码模块；

根据脉冲轮廓信号时间延迟td设置相位累加模块中存储的脉冲轮廓相位值的公式为：

A＝t_d×2^N/T     （3）

式中，A为根据脉冲轮廓信号时间延迟td而设置的相位累加器13的值，td为脉冲轮廓信号时间延迟，T为脉冲信号的周期，N为相位累加器13的位数；

步骤七：将步骤五和六中得到的地址数据值，以及步骤二中得到的地址编码，由地址编码模块发给FLASH数据存储模块，将该地址下的脉冲星轮廓数据发给SRAM数据暂存模块；

步骤八：SRAM数据暂存模块将该脉冲星轮廓数据发给数模转换模块，通过低通滤波模块和功率放大模块生成X射线源的控制信号，并输出相应强度的X射线；

步骤九：在高稳时钟模块下一个时钟信号的驱动下，加法模块将相位增量寄存模块和相位累加寄存模块中存储的脉冲星周期参数相加后，给相位累加寄存模块，得到新的相位偏移地址量，发给地址编码模块；

步骤十：重复步骤七、八和九，但是，在下一个新的循环中，步骤七中所用的步骤五中的每一个脉冲星的起始地址保持不变，步骤二中得到的地址编码也保持不变，而从步骤六中得到的相位偏移地址量是更新后的相位偏移地址量；

步骤十一：直到完成实验任务为止。

有益效果：

（1）本发明能够实现高稳定脉冲轮廓信号的输出

X射线脉冲星导航利用了脉冲星脉冲轮廓周期信号的高稳定特性，脉冲星的频率稳定度可达10-19～10-21，因此对X射线脉冲星模拟源输出脉冲轮廓信号的频率准确度和稳定度要求极高，然而传统的信号发生器己经不能满足X射线脉冲星模拟源的要求。基于直接数字频率合成方法，利用高稳定度时间频率系统，可以实现高稳定脉冲轮廓信号的输出。

（2）本发明能够实现任意脉冲轮廓信号的输出

利用X射线脉冲星进行航天器的高精度自主导航时，需要探测空间中不同脉冲星发出的X射线脉冲信号。因此，在X射线脉冲星地面模拟系统中需要模拟不同脉冲星的脉冲轮廓信号。基于直接数字频率合成方法，可以将脉冲星轮廓数据存放在存储器中，然后根据选定的脉冲星编号读取轮廓数据并输出相应的脉冲轮廓信号。

（3）本发明能够产生包含时间延迟信息的脉冲轮廓信号

在利用X射线脉冲星进行航天器的高精度自主导航时，脉冲星X射线信号到达太阳系质心的时间相比到达航天器的时间会有一个时间延迟量。因此，在X射线脉冲星地面模拟系统中需要输出考虑时间延迟后的脉冲轮廓信号，以进行导航算法等相关关键技术的验证。基于直接数字频率合成方法，可以根据时间延迟量，产生时间延迟后的脉冲轮廓信号。

附图说明

图1为本发明X射线脉冲星导航地面试验信号控制方法原理框图；

具体实施方式

如图1所示，本发明X射线脉冲星导航地面试验信号控制装置包括：FPGA芯片1、高稳时钟模块2、USB通信模块3、SRAM数据暂存模块4、FLASH数据存储模块5、数模转换模块6、低通滤波模块7和功率放大模块8。如图2所示，本发明直接数字频率合成方法，FPGA芯片1包括相位增量寄存器11、加法器12和相位累加器13。

USB通信模块3提供FPGA芯片1和上位机之间的数据传输通道，在上位机上存储的X射线脉冲星脉冲轮廓数据通过USB通信模块3在FPGA芯片1的控制下存储到FLASH数据存储模块5。在上位机控制软件上，设置好脉冲轮廓信号的频率控制字K，通过USB通信模块3在FPGA芯片1的控制下存储到相位增量寄存器11，脉冲轮廓信号的输出频率由频率控制字K决定。在上位机控制软件上，设置好要模拟的脉冲星编号N和脉冲轮廓信号的时间延迟td，通过USB通信模块3在FPGA芯片1的控制下存储到SRAM数据暂存模块4，然后由上位机发送模拟开始的通知信号到FPGA芯片1，FPGA芯片1接收到此信号后，根据脉冲轮廓信号时间延迟td将相位累加器13中存储的脉冲轮廓相位值设置为A，同时根据要模拟的脉冲星编号N将相应的脉冲轮廓数据从FLASH数据存储模块5读出并存储到SRAM数据暂存模块4。在高稳时钟模块2的时钟信号驱动下，加法器12将相位增量寄存器11和相位累加器13中存储的数值相加，得到脉冲轮廓的相位值A+K并将其存入相位累加器13，相位累加器13中存储的脉冲轮廓相位值A+K被传到SRAM数据暂存模块4的地址引脚，并在FPGA芯片1的控制下读出该地址中存储的脉冲轮廓幅度数据。脉冲轮廓幅度数据被送至数模转换模块6的输入引脚并被转换为模拟信号。数模转换模块6输出的脉冲轮廓模拟信号被送至低通滤波模块7的输入端，利用低通滤波模块7将不需要的取样成分滤除，输出光滑连续的脉冲轮廓信号。低通滤波模块7输出的脉冲轮廓信号被送入功率放大模块8，经过功率放大模块8来改善其驱动能力，实现功率放大，作为整个控制系统的输出级。功率放大模块8输出的脉冲轮廓控制信号被送至X射线源调制控制输入端，从而实现相应脉冲轮廓的X射线脉冲信号输出。

在高稳时钟模块2的下一个时钟信号驱动下，加法器12将相位增量寄存器11中存储的值K和相位累加器13中存储的值A+K相加，得到脉冲轮廓的新相位值A+2K，在时钟信号驱动下，SRAM数据暂存模块4、FLASH数据存储模块5、数模转换模块6、低通滤波模块7和功率放大模块8重复之前的操作，并实现下一个X射线脉冲信号输出。如此循环往复，输出高稳定度的X射线周期脉冲信号。

如图1所示，FPGA芯片1包括相位增量寄存器11、加法器12和相位累加器13相位增量寄存器11、加法器12和相位累加器13的位数都为N，也就是相位增量寄存器11和相位累加器13中存储的数值都是N bits，而加法器12实现两个N bits数值的求和。每颗脉冲星一个周期内的轮廓数据按相同的时间间隔分为2N份，相位累加器13中存储数值的取值范围为0～2N-1，于是相位累加器13存储的数值和脉冲轮廓幅度的取值一一对应，也就是说相位累加器13存储的数值相当于脉冲轮廓的相位值。脉冲轮廓数据存储在FLASH数据存储模块5中，每颗脉冲星一个周期内的轮廓数据分为2N份，每份数据用m bits存储，每颗脉冲星的轮廓数据在FLASH数据存储模块5中占有的存储空间为2N×mbits。N越大，则脉冲轮廓数据采样数越多，生成的脉冲轮廓与实际脉冲波形相似度越高。m越大，则脉冲轮廓数据值的精度越高。

在图1中，根据脉冲轮廓信号时间延迟td设置相位累加器13中存储的脉冲轮廓相位值的公式为：

A＝t_d×2^N/T     （3）

式中，A为根据脉冲轮廓信号时间延迟td而设置的相位累加器13的值，td为脉冲轮廓信号时间延迟，T为脉冲信号的周期，N为相位累加器13的位数。

脉冲星X射线脉冲轮廓信号输出频率为

f_out＝K×f_clk/2^N     （4）

式中，fout为X射线脉冲轮廓信号的输出频率，K为相位增量寄存器11中存储的频率控制字，fclk为时钟频率，N为相位累加器的位数。

可以通过更改相位增量寄存器11中存储的频率控制字K的大小来改变输出脉冲轮廓信号的频率。

综上所述，X射线脉冲星导航地面试验信号控制方法，能够输出高稳定度任意脉冲轮廓的X射线脉冲信号，从而用于X射线脉冲星导航地面试验验证系统，实现X射线脉冲星导航相关关键技术的地面半物理闭环验证。

以上实施例为本发明的较佳实施方式之一，凡是在本发明的精神和原则之下进行的等同替换，局部改进都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统，其特征在于：主要包括：数据库模块、时间延迟模块、脉冲星编号模块、周期控制模块、高稳时钟模块、通信模块、SRAM数据暂存模块、FLASH数据存储模块、数模转换模块、地址编码模块、低通滤波模块和功率放大模块，相位增量寄存模块、加法模块和相位累加模块，外围设备X射线源；

数据库模块、时间延迟模块、脉冲星编号模块、周期控制模块分别与通信模块相连，通信模块又与SRAM数据暂存模块相连，SRAM数据暂存模块分别与FLASH数据存储模块、地址编码模块、相位增量寄存模块、数模转换模块以及相位累加寄存模块相连，FLASH数据存储模块还与地址编码模块相连，地址编码模块与相位累加模块相连，相位增量寄存模块与加法模块相连，加法模块和相位累加模块相连，数模转换模块、低通滤波模块功率放大模块和X射线源串联，高稳时钟模块与加法模块相连；

步骤一：数据库模块将脉冲星参数数据通过通信模块存储到SRAM数据暂存模块中；

步骤二：SRAM数据暂存模块将脉冲星参数数据发给FLASH数据存储模块，同时，地址编码模块通过FLASH数据存储模块内数据占用空间地址的情况，自动进行地址编码，接步骤七；

步骤三：从脉冲星编号模块、周期控制模块、时间延迟模块分别发出脉冲星编号、脉冲星周期参数以及时间延迟量通过通信模块发给SRAM数据暂存模块中，分别发给步骤四、五、六；

步骤四：SRAM数据暂存模块中的脉冲星周期参数发给相位增量寄存模块，用来控制输出X射线信号的周期；接步骤九；

步骤五：SRAM数据暂存模块发出脉冲星编号给地址编码模块，为了标记出每一个脉冲星的起始地址；

步骤六：SRAM数据暂存模块发出时间延迟量给相位累加模块，设置相位偏移地址量，该相位偏移地址量又发给地址编码模块；

步骤七：将步骤五和六中得到的地址数据值，以及步骤二中得到的地址编码，由地址编码模块发给FLASH数据存储模块，将该地址下的脉冲星轮廓数据发给SRAM数据暂存模块；

步骤八：SRAM数据暂存模块将该脉冲星轮廓数据周期发给数模转换模块，通过低通滤波模块和功率放大模块生成X射线源的控制信号，并输出相应强度的X射线；

步骤九：在高稳时钟模块下一个时钟信号的驱动下，加法模块将相位增量寄存模块和相位累加寄存模块中存储的脉冲星周期参数相加后，给相位累加寄存模块，得到新的相位偏移地址量，发给地址编码模块；

步骤十：重复步骤七、八和九，但是，在下一个新的循环中，步骤七中所用的步骤五中的每一个脉冲星的起始地址保持不变，步骤二中得到的地址编码也保持不变，而从步骤六中得到的相位偏移地址量是更新后的相位偏移地址量；

步骤十一：直到完成实验任务为止。

2.根据权利要求1所述的X射线脉冲星导航地面试验信号控制系统，其特征在于：根据脉冲轮廓信号时间延迟t d设置相位累加模块中存储的脉冲轮廓相位值的公式为：

A＝t_d×2^N/T          （3）

式中，A为根据脉冲轮廓信号时间延迟td而设置的相位累加器13的值，td为脉冲轮廓信号时间延迟，T为脉冲信号的周期，N为相位累加器13的位数。

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