CN103531072A - 一种x射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，包括综合控制单元、演示单元、移动平台、探测器轨道、光源、光源轨道、模拟探测器、模拟地球、无线传输模块和系统电源。本演示系统实现了地面模拟X射线脉冲星捕获跟踪从无到有的突破，为探测器在航天器上搭载奠定了充分的试验基础，探测器实时显示捕获状态，达到了探测器捕获X射线脉冲星信号真实过程可视化的效果，供电系统安全。

Description

一种X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统

技术领域

本发明涉及一种地面演示系统，适用于X射线脉冲星导航探测器捕获跟踪原理验证和工作模式模拟展示。

背景技术

脉冲星是太阳系以外的遥远天体，其位置坐标犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系。脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度好于地球上最稳定的铯原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间、时间参考基准，是空间飞行器极好的天然导航信标。

探测器对X射线脉冲星信号的捕获方式在地面无法直接观测到，因此，需要在探测器搭载之前对捕获跟踪方式进行详细的模拟。这就迫切需要一种能够在地面上对X射线脉冲星探测器工作原理和捕获跟踪过程进行模拟验证的演示系统。

本发明通过光源模拟脉冲星，圆弧轨道上的移动平台模拟卫星轨道上的探测器，采用综合控制单元控制平台和机构运行，模拟星载机构的运行，采用演示单元实时显示捕获过程，达到真实模拟X射线脉冲星探测器工作原理和捕获跟踪过程的效果。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够对X射线脉冲星导航探测器的捕获跟踪原理进行地面验证、对探测器的工作方式进行模拟的演示系统，并且可以验证星载指向跟踪机构的工作性能，实现X射线脉冲星导航探测器工作过程的可视化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，包括综合控制单元、演示单元、移动平台、探测器轨道、光源、光源轨道、模拟探测器、模拟地球、无线传输模块和系统电源；所述综合控制单元设有无线传输模块；所述移动平台包括转台和底座，转台安装在底座上，底座安装在探测器轨道上，所述转台可二维转向角度调整，转台上安装有驱动部件控制器、无线传输模块和模拟探测器；所述探测器轨道为圆环形轨道，且与模拟地球同心；所述光源不少于一个，且固接在光源支架上，光源支架配合连接在光源轨道上，且能在光源轨道上移动；所述光源轨道位于演示办公室的顶端，且与探测器轨道共轴心；所述模拟探测器上安装有显示屏，且内置有视觉传感器。

综合控制单元主要通过上位机储存源程序，检测系统当前状态，发送、接收、处理、执行操作指令，控制整个系统的稳定运行。

演示单元主要通过显示器来展示模拟脉冲星捕获的原理和过程，并实时显示捕获的状态，便于现场演示和讲解。

无线传输模块（信号和数据无线发射及接受模块）用于接收控制信号以及传输状态数据，无线传输模块通过无线传输单元进行测量、控制等数据和信息的传输操作，模块分为发射端和接受端，分别安装在驱动控制器和综合控制单元上；

驱动控制器用于控制驱动部件动作，模拟探测器用于显示已捕获目标对象，视觉传感器用于测量光源的位置及状态信息，并反馈给综合控制单元进行系统操作。

探测器轨道主要通过选择圆环形轨道作为转台运行轨迹模拟卫星轨道，布置在演示办公室内中部位置，移动平台通过驱动机构控制平台沿圆环轨道运行，达到模拟航天器绕地球轨道运行的效果。

为了更加形象的展示演示效果，用光源模拟天上的脉冲星，布置在展示区域的边角位置，通过光源轨道上的光源支架来固定，光源支架可在光源轨道上绕模拟地球移动；所述光源支架设有高度调节装置，其自上向下可以进行伸缩调节，且其位置可以移动；光源安装完成后，测量、记录各光源相对轨道面中心位置的相对坐标；光源轨道与地球轨道同心，安装在演示办公室内天花板上，探测器轨道内部可以为光源供电。

进一步，所述模拟探测器为轻质壳体结构，其上表面安装LED显示屏。

进一步，所述模拟地球为轻质壳体半球形结构，用于真实展示地球效果，反映模拟探测器遮挡情况下的工作状态。

进一步，所述转台装有蓄电池。为了不影响演示效果，同时避免自身电缆缠绕，转台自备蓄电池。

进一步，所述光源支架设有高度调节装置。

进一步，所述光源支架与光源轨道的配合连接方式为滑动配合连接或滚动配合连接。

进一步，所述光源轨道内置有为光源供电的电源，光源可直接由光源轨道供电，节省了电缆线路，减少电缆由于运动而缠绕现象的发生，操作便捷；光源轨道外部绝缘，避免由于光源轨道漏电事故的发生，有效地保护了工作人员的安全。

进一步，所述系统电源和综合控制单元采用通用电源，并配有电源箱，光源也可以采用通用电源供电。

进一步，所述光源不少于两个时，不同光源的颜色不同，以模拟不同的脉冲星，在显示单元中的显示功能区显示不同的颜色，以相互区分不同的捕获状态，同时均与白色常态相区分。

本发明通过自动控制和手动控制两种捕获跟踪模式，可以真实模拟星载探测器的工作原理和捕获跟踪过程，并可以形象地展示星载指向跟踪机构的功能作用和工作过程。

本发明具有的优点和积极效果是：

（1）本演示系统首次应用于X射线脉冲星地面演示验证，实现了地面模拟X射线脉冲星捕获跟踪从无到有的突破，为探测器在航天器上搭载奠定了充分的试验基础。

（2）本演示系统采用光源模拟脉冲星，圆弧轨道模拟地球轨道，移动平台模拟航天器，LED显示屏模拟探测器，同时，增加模拟地球仪（半球）模拟航天器绕地球运行时探测器受到地球遮挡状态的影响，控制移动平台和指向跟踪机构的协调运动实现探测器对光源的跟踪和捕获，达到了探测器捕获X射线脉冲星信号真实过程可视化的效果。

（3）本演示系统采用二维指向机构来搭载模拟探测器，机构具有回转和俯仰功能，满足探测器半球范围内的指向需求，大大提高了捕获目标的功能，探测器实时显示捕获状态，展示效果更加直观明了。

（4）本演示系统的光源通过光源轨道进行安装和固定，轨道内置供电线路，避免了外接电缆的接入，提高了系统供电的安全性。同时，光源的高度和平面位置可以任意调节，光源的数量可以根据任务需求增加或减少，提高了系统模拟演示的适应和扩展能力。

（5）本演示系统的移动部件采用蓄电池进行供电，避免电缆缠绕，数据和信号通过无线模块进行传输与接收，减少了系统电连接附件的数量，提高了系统的安全性能和维护性能及供电的安全性。

（6）本演示系统的演示单元通过动画模拟捕获的过程，显示探测器实时的跟踪状态，与实物运行功能互补，更能充分的展示捕获的状态。

附图说明

图1为本X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统的具体实施例的系统组成框图；

图2为本X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统的空间布置俯视图；

图3为本X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统的空间布置立体示意图；

图4为本X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统自动捕获工作示意图；

图5为本X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统手动捕获工作示意图。

图中：

1.综合控制单元，2.演示单元，3.移动平台，4.探测器轨道，5.光源，

6.光源轨道，7.模拟探测器，8.模拟地球，9.无线传输模块，10.系统电源，

51.红色光源，52.绿色光源，53.蓝色光源，54.黄色光源，

A表示参观方向。

具体实施方式

为了对本发明更加深入的了解，下面列举一具体实施例，并结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

本实施例是一种可以对X射线脉冲星导航探测器的捕获跟踪原理进行地面验证，并对探测器的工作方式进行模拟演示的地面演示系统。

本演示系统位于一演示实验室内，首先在演示实验室地面中央位置布置有模拟地球（半球）8，模拟地球8周围安装一个圆形探测器轨道4，此轨道直径为3m；圆形探测器轨道4上安装有移动平台3，移动平台3由转台和底座组成，底座采用电机驱动，通过齿轮、皮带轮或者滚轮传动驱使移动平台3在探测器轨道4上运行，即绕模拟地球8循环运转；移动平台3上安装模拟探测器7，模拟探测器7装有LED灯，本实施例中，具有红、绿、蓝、黄4种捕获状态显示功能和白色常态显示功能；探测器轨道4的正上方天花板上安装有光源轨道6，与探测器轨道4同轴心，光源轨道6采用内嵌式电缆输出，在此轨道上直接安装光源即可通电工作，其外部绝缘；通过不同颜色显示的光源5来模拟不同的脉冲星，本实施例中与探测器对应的光源5具有红、蓝、绿、黄四种颜色（即分别为红色光源51，绿色光源52，蓝色光源53和黄色光源54），四个光源可在光源轨道6平面上的任意位置安装，上下高度通过固定杆（高度调节装置）伸缩调节；观测区域的左侧放置有综合控制单元1，用于系统存储信息、数据、控制程序和软件，以及根据反馈回来的数据和信息控制各部件进行具体的运动操作，右侧放置有演示单元2，进行实时动画模拟和捕获过程现场讲解；演示实验室左边安装有操作工具箱，用于存放设备安装工具以及设备附件；右边安装有整个系统的供电箱，主要用于系统供电、电源电池充电和电连接设备存放。

首先对探测器轨道4和光源轨道6进行安装、调整，以保证二者同心；安装完成后，确定以探测器轨道4安装面的中心点为坐标零点的演示系统空间坐标系；然后，根据任务需求确定模拟脉冲星的数量和布置位置（以红、绿、蓝、黄四个光源为例），四个光源安放在光源轨道6上后进行适当调整，对各光源的位置进行测量和标定，建立各光源在坐标系中的空间位置信息。

具体演示验证工作分为两种捕获跟踪模式，分别为自动控制捕获跟踪模式和手动控制捕获跟踪模式：

自动控制捕获：对程序设定好的捕获顺序，以移动平台3运行一圈为一个周期，依次对四个光源进行捕获和区域跟踪操作；目标捕获确定后，模拟探测器7显示相应光源状态，演示单元2上显示捕获模拟过程，并进行实时讲解。自动控制捕获跟踪模式下，移动平台3上的转台从起始零位（红色捕获区域，即红色光源51所对应的区域）开始转动，转动速度为5分钟/圈，在规定的红色捕获区域内，对红色光源51进行捕获，捕获时间为60秒，然后间歇15秒时间，进入规定的绿色捕获区域（绿色光源52对应的区域）内，开始对绿色光源52进行捕获；之后依次捕获蓝色光源53和黄色光源54；整个捕获演示周期为5分钟，各颜色区域的捕获角度均为75°，如图4所示。

手动控制捕获：通过操作人员输入捕获目标信息，调用系统数据库，获取该目标的位置和状态信息，根据移动平台3实时状态信息，综合控制单元1控制跟踪机构进行捕获操作，并在捕获区域内进行实时跟踪；整个过程，通过演示单元2进行全程模拟。手动控制捕获模式下，根据演示需求，手动控制输入需要捕获的模拟光源，以蓝色光源53为例，综合控制单元通过分析、计算蓝色光源53的位置，控制转台沿导轨转动，5分钟/圈，进入蓝色捕获区域（蓝色光源53对应的区域）时，进行捕获跟踪操作，捕获时间为60秒，如图5所示；然后返回零位，接受下一次动作信息，对下一个模拟光源进行捕获。

通过这两种功能的演示，真实模拟了星载X射线脉冲星探测器的工作原理和捕获跟踪过程，并形象地展示了星载指向跟踪机构的功能作用和工作过程。

本发明的X射线脉冲星导航探测器地面演示系统，地面采用探测器轨道4和天花板上的光源轨道6来分别模拟探测器运行轨道和X射线脉冲星的运行轨道，采用不同颜色的光源来模拟空间不同位置分布的X射线脉冲星，综合控制单元1通过无线单元控制移动平台3绕探测器轨道4运行，并且在演示单元2上实时显示的捕获跟踪过程，同步进行原理讲解，达到了X射线脉冲星探测器工作原理和捕获跟踪工作过程真实、可视化的效果；整个演示系统设计巧妙，功能全面，安全性和可靠性高。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：包括综合控制单元（1）、演示单元（2）、移动平台（3）、探测器轨道（4）、光源（5）、光源轨道（6）、模拟探测器（7）、模拟地球（8）、无线传输模块（9）和系统电源（10）；所述综合控制单元（1）设有无线传输模块（9）；所述移动平台（3）包括转台和底座，转台安装在底座上，底座安装在探测器轨道（4）上，所述转台可二维转向角度调整，转台上安装有驱动部件控制器、无线传输模块（9）和模拟探测器（7）；所述探测器轨道（4）为圆环形轨道，且与模拟地球（8）同心；所述光源（5）不少于一个，且固接在光源支架上，光源支架配合连接在光源轨道（6）上，且能在光源轨道上移动；所述光源轨道（6）位于演示办公室的顶端，且与探测器轨道（4）共轴心；所述模拟探测器（7）上安装有显示屏，且内置有视觉传感器。

2.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述模拟探测器（7）为轻质壳体结构。

3.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述模拟地球（8）为轻质壳体半球形结构。

4.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述转台装有蓄电池。

5.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述光源支架设有高度调节装置。

6.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述光源支架与光源轨道（6）的配合连接方式为滑动配合连接或滚动配合连接。

7.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述光源轨道（6）内置有为光源（5）供电的电源，其外部绝缘。

8.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述系统电源（10）、综合控制单元（1）和光源（5）采用通用电源，并配有电源箱。

9.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面捕获跟踪演示系统，其特征在于：所述光源不少于两个时，不同光源的颜色不同。

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