CN104729533A - 一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法，该系统包括统一授时子系统、脉冲星导航敏感器子系统、星载计算机导航控制子系统和主控与可视化演示子系统，通过该系统实现的仿真演示验证方法可以实现三颗或以上脉冲星的串行模拟要求，模拟指定的脉冲星的轮廓和周期；该方法在系统运行中周期性的发送脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，从而实现脉冲星波形轮廓的相位改变，并在一段时间内保持辐射轮廓不变，即航天器位置固定，从而实现相位突变型脉冲星动态模拟。在系统中用星上真实产品的脉冲星导航敏感器和星载计算机，完成基于X射线脉冲星的天文自主导航系统的演示与验证，具备在轨运行的真实时序逻辑，模拟系统可信度高。

Description

一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法

技术领域

本发明属于脉冲星导航地面演示验证半物理仿真领域，涉及一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法。

背景技术

X射线脉冲星是一类自转周期非常稳定的中子星，能够发射具有高度稳定周期的X射线脉冲信号，是理想的导航天体源。航天器上的脉冲到达时间观测量反映了航天器相对于太阳系质心的位置矢量在脉冲星视线矢量上的投影，可用于确定航天器的位置和速度，实现航天器的自主导航。在X射线脉冲星导航敏感器实际应用之前，需要在地面对其关键技术进行验证。然而脉冲星辐射信号由于被地球大气所吸收，难于穿过地球稠密的大气层，因而需要建立X射线脉冲星模拟器，与X射线脉冲导航敏感器组成地面演示验证系统，以达到对脉冲星导航可行性、系统特性及导航精度等验证的目的。

目前，国内对于X射线脉冲星导航地面试验系统已经开展了一些研究，例如，“X射线脉冲星导航半实物仿真系统”(201010022035.7)、“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置”(201010140837.8)、“一种X射线脉冲星探测器等效器的航天器导航系统”(201010623896.0)、“X射线脉冲星导航地面试验系统”(201010592693.9)等，但这些系统对于X射线脉冲星自主导航的地面模拟验证的真实性和可靠性有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法，该系统采用脉冲星模拟器实现高时频稳定度X射线脉冲星光子信号模拟，并通过主控计算机周期性发送轨道参数到脉冲星模拟器，实现X射线脉冲星波形轮廓的动态模拟，并可以通过脉冲星标号进行不同的X脉冲星切换。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，包括统一授时子系统、脉冲星导航敏感器子系统、星载计算机导航控制子系统和主控与可视化演示子系统，所述脉冲星导航敏感器子系统包括脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，所述星载计算机导航控制子系统包括星载计算机和遥控遥测模拟计算机；所述主控与可视化演示子系统包括主控计算机和显示模块；

统一授时子系统：输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器；

脉冲星模拟器：接收主控计算机发送的信息数据和统一授时子系统发送的时钟信号，其中，所述信息数据包括脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，然后利用所述脉冲轮廓相位差与标准脉冲星波形轮廓计算生成模拟脉冲星波形轮廓，并产生对应的模拟电压值，再按照所述模拟电压值控制输出X射线，并对所述X射线进行准直处理，输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

脉冲星导航敏感器：接收统一授时子系统输出的时钟信号、脉冲星模拟器输出的X射线平行光和星载计算机发送的导航处理结果；对所述的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号；以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机；

星载计算机：接收遥控遥测模拟计算机发送的控制指令，根据所述控制指令的内容进行相应操作，并将所述操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果发送到遥控遥测模拟计算机；接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星导航敏感器输出的TDOA值，并利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

遥控遥测模拟计算机：发送外部输入的控制指令到星载计算机，并接收星载计算机发送的操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果；

主控计算机：发送设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机；接收星载计算机发送的导航处理结果，与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；

显示模块：接收主控计算机发送的导航处理结果和导航处理误差，进行显示。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星模拟器包括脉冲星模拟器控制计算机、信号发生器、X射线源和准直器，脉冲星导航敏感器包括镜头及前置放大器和线路盒，其中：

在脉冲星模拟器中：脉冲星模拟器控制计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，，并利用所述相位差值和标准脉冲星波形轮廓控制信号发生器产生模拟脉冲波形轮廓；信号发生器接收统一授时子系统发送的时钟信号，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述模拟脉冲波形轮廓产生对应的模拟电压值，并输出所述模拟电压值到X射线源；X射线源将信号发生器输出的模拟电压值作为控制信号，输出X射线；准直器对X射线源输出的X射线进行准直处理，输出X射线平行光到镜头及前置放大器；

在脉冲星导航敏感器中：镜头及前置放大器接收X射线平行光，进行光电转换，并采用低噪放对所述电信号进行功率放大，输出功放处理后的电信号到线路盒；线路盒接收统一授时子系统输出的时钟信号和星载计算机发送的导航处理结果，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星导航敏感器、X射线源和准直器放置在真空罐中，即生成X射线、准直处理、传输X射线平行光和生成脉冲星波形轮廓均在真空环境中实现。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到显示模块，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到显示模块，显示模块对脉冲星轮廓与标准脉冲星波形轮廓进行显示和比较。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，显示模块包括示波器和敏感器地检计算机，其中，脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到示波器进行显示，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到敏感器地检计算机进行显示。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，星载计算机导航控制子系统还包括监控与调试计算机，其中，在对星载计算机进行软件更新时，所述监控与调试计算机上传星载计算机的实时操作系统和应用软件，并对所述软件的运行进行监控和调试。

在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中的脉冲星导航敏感器和星载计算机采用星上真实产品。

基于上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行仿真验证的方法，包括如下步骤：

(1)、对所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行初始化，具体处理过程如下：

(1a)、统一授时子系统输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，对脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器进行时钟对准；

(1b)、主控计算机发送初始数据到脉冲星模拟器和星载计算机，其中，所述初始数据包括初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；

(1c)、星载计算机转发所述初始数据到导航敏感器；脉冲星模拟器根据接收初始数据加载标准脉冲星波形轮廓；

(2)、启动所述仿真演示验证系统，具体启动过程如下：

(2a)、主控计算机发送启动命令到脉冲星模拟器，脉冲星模拟器启动工作，并同时发送同步脉冲到脉冲星导航敏感器；脉冲星模拟器启动工作后根据脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(2b)、脉冲星导航敏感器在接收到脉冲星模拟器发送的同步脉冲信号后，开始工作，对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(2c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3)、在系统启动后，主控计算机按照设定的周期发送初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机，即周期性地进行轨道相位切换，并在每次相位切换后重复如下的操作：

(3a)、脉冲星模拟器根据接收到脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元,输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(3b)、脉冲星导航敏感器对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，按照星载计算机发送的导航处理结果对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(3c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到的导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3d)、主控计算机将星载计算机发送得导航处理结果与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；

(3e)、在显示模块中进行导航处理结果和导航处理误差显示。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)、本发明的仿真演示验证系统，采用脉冲星模拟器实现高时频稳定度X射线脉冲星光子信号模拟，并通过主控计算机周期性发送轨道参数到脉冲星模拟器，实现X射线脉冲星波形轮廓的动态模拟，并可以通过脉冲星标号进行不同的X射线脉冲星切换；

(2)、本发明的仿真演示验证系统采用星上真实产品的脉冲星导航敏感器和星载计算机，完成基于X射线脉冲星的天文自主导航系统的演示与验证，具备在轨运行的真实时序逻辑，模拟系统可信度高；

(3)、本发明的仿真演示验证系统采用单一的外部高精度时钟系统加同步脉冲触发的方式，实现每次脉冲轮廓动态变化后的相对时间基准与计时，解决脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器之间的时间校准与同步，与现有绝对时间基准相比，时钟累计误差明显减小，可采用相对较低稳定度的时钟实现，成本低。

附图说明

图1为本发明的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统的组成框图；

图2为本发明的脉冲星导航敏感器子系统的组成框图；

图3为本发明的星载计算机导航控制子系统的组成框图；

图4为本发明的主控与可视化演示子系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的仿真演示验证系统的组成框图，本发明的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统包括统一授时子系统、脉冲星导航敏感器子系统、星载计算机导航控制子系统和主控与可视化演示子系统。其中，脉冲星导航敏感器子系统包括脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，星载计算机导航控制子系统包括星载计算机、遥控遥测模拟计算机和监控与调试计算机；主控与可视化演示子系统包括主控计算机和显示模块。

(一)、统一授时子系统

在本发明的仿真演示验证系统中，采用统一授时子系统提供高精度时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器。其中，该高精度时钟信号可以对脉冲星模拟器的信号发生器晶振进行校准/同步，从而精确模拟脉冲星的周期稳定性。同时，脉冲星导航敏感器采用该高精度时钟信号来精确标记X射线光子到达时间(TOA)。因此，本实施例中采用铷钟作为统一授时系统为脉冲星模拟和脉冲星导航敏感器提供了统一的高精度计时时间基准。

(二)、脉冲星导航敏感器子系统

如图2所示的脉冲星导航敏感器子系统的组成框图，脉冲星导航敏感器子系统包括脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器。其中，脉冲星模拟器包括脉冲星模拟器控制计算机、信号发生器、X射线源和准直器，脉冲星导航敏感器包括镜头及前置放大器和线路盒。

脉冲星模拟器控制计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，并利用所述相位差值和标准脉冲星波形轮廓控制信号发生器产生模拟脉冲波形轮廓；信号发生器接收统一授时子系统发送的时钟信号，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述模拟脉冲波形轮廓产生对应的模拟电压值，并输出所述模拟电压值到X射线源；X射线源将信号发生器输出的模拟电压值作为控制信号，输出具有设定周期且相位受模拟电压值控制的X射线；准直器对X射线源输出的具有一定散射角的X射线进行准直处理，输出X射线平行光到镜头及前置放大器；

在脉冲星导航敏感器中，镜头及前置放大器接收X射线平行光，进行光电转换，并采用低噪放对所述电信号进行功率放大，输出功放处理后的电信号到线路盒；线路盒接收统一授时子系统输出的时钟信号和星载计算机发送的导航处理结果，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后通过CAN总线输出所述TDOA值到星载计算机；

在本发明的仿真演示验证系统中，将脉冲星导航敏感器、X射线源和准直器放置在真空罐中，即生成X射线、准直处理、传输X射线平行光和生成脉冲星波形轮廓均在真空环境中实现。该真空环境可以有效降低光子能量和电信号的损耗。为了便于将准直器和镜头进行对准，本发明将准直器放置在平动台上，将镜头及前置放大器放置在转台上，在演示验证系统正常工作前，先通过调整平动台和转台，使得准直器与镜头完全对准，从而有效提高X射线光子的接收效率。

为了便于对脉冲星导航敏感器生成的脉冲波形轮廓进行观测和检验，在本发明中，脉冲星模拟器的信号发生器通过地检接口将标准脉冲星波形轮廓发送到显示模块，脉冲星导航敏感器的线路盒通过地检接口输出观测脉冲星波形轮廓到显示模块，显示模块对观测脉冲星轮廓与标准脉冲星波形轮廓进行显示和比较。

另外，根据脉冲星导航的理论分析可知，想要达到较高的导航精度，就需要观测的时间足够长(几个小时)。如此，在地面试验时比较耗时，不利于试验实施。本发明采用了增大脉冲星模拟器X射线流量的方式，实现等效地增大探测面积或积分时间的效果，以达到加速模拟的效果。在本发明中X射线源由X射线管和高压电源组成，其中X射线管是一种X射线光子流量可采用电信号进行调制的栅控X射线源，因此，本发明可通过调制射线管的栅控电压来增大脉冲星模拟器X射线的流量，从而实现等效地增大探测面积或积分时间的效果，以达到加速模拟的效果。

(三)、星载计算机导航控制子系统

如图3所示的星载计算机导航控制子系统的组成框图，星载计算机导航控制子系统包括星载计算机、遥控遥测模拟计算机和监控与调试计算机。

在本发明中，为了提高仿真演示验证系统的模拟可靠性，采用星上真实产品的星载计算机进行仿真演示验证，具备在轨运行的真实时序逻辑。该星载计算机运行与在轨一致的星载计算机软件，它是一个基于多任务操作系统的星载计算机应用软件，包括导航控制算法计算任务、上行遥控指令处理逻辑任务、下行遥测数据处理任务、通讯接口管理任务及其他在轨相关任务等。在演示验证系统启动运行后，通讯接口管理任务软件按照在轨真实时序从导航敏感器获取TDOA数据及工程遥测数据，导航控制算法计算任务则根据获得的TDOA数据完成航天器的导航。遥测数据处理任务则将用户所关心的计算结果等工程数据遥测下传。上行遥控指令处理逻辑任务则可根据需求对导航控制算法中的相关参数进行更新。

其中，星载计算机接收遥控遥测模拟计算机发送的控制指令，根据所述控制指令的内容进行相应操作，如开关、复位、取数、脉冲星切换、参数配置等。并将所述操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果发送到遥控遥测模拟计算机，星载计算机在接收到主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星导航敏感器输出的TDOA值后，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器。

在星载计算机导航控制子系统中，遥控遥测模拟计算机用于发送外部输入的控制指令到星载计算机，并接收星载计算机发送的操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果，并通过LAN记录遥测遥控数据在服务器内。监控与调试计算机用于星载计算机的软件更新和调试。其中，在对星载计算机进行软件更新时，监控与调试计算机上传星载计算机的实时操作系统和应用软件，并对所述软件的运行进行监控和调试。

(四)、主控与可视化演示子系统

如图4所示的主控与可视化演示子系统的组成框图，主控与可视化演示子系统包括主控计算机和显示模块，其中显示模块包括示波器、敏感器地检计算机、大屏幕和展板。

主控计算机发送设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机；接收星载计算机发送的导航处理结果，与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到大屏幕进行显示。

显示模块中的示波器接收信号发生器发送的将标准脉冲星波形轮廓，敏感器地检计算机接收脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓，然后将这两种波形分别在大屏幕上进行显示，从而达到脉冲星波形轮廓的实时观测和检查。

利用本发明的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，进行仿真验证试验的方法如下：

(1)、对所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行初始化，具体处理过程如下：

(1a)、统一授时子系统输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，对脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器进行时钟对准，统一脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器两者的绝对时间(基准)起始时刻。

(1b)、主控计算机发送初始数据到脉冲星模拟器和星载计算机，其中，所述初始数据包括初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；

(1c)、星载计算机转发所述初始数据到导航敏感器；脉冲星模拟器根据接收初始数据加载标准脉冲星波形轮廓；

(2)、启动所述仿真演示验证系统，具体启动过程如下：

(2a)、主控计算机发送启动命令到脉冲星模拟器，脉冲星模拟器启动工作，并同时发送同步脉冲到脉冲星导航敏感器；脉冲星模拟器启动工作后根据脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(2b)、脉冲星导航敏感器在接收到脉冲星模拟器发送的同步脉冲信号后，开始工作，对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(2c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3)、在系统启动后，主控计算机按照设定的周期发送初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机，即周期性地进行轨道相位切换，并在每次相位切换后重复如下的操作：

(3a)、脉冲星模拟器根据接收到脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元,输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(3b)、脉冲星导航敏感器对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，按照星载计算机发送的导航处理结果对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(3c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到的导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3d)、主控计算机将星载计算机发送得导航处理结果与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；

(3e)、在显示模块中进行导航处理结果和导航处理误差显示。

以上的仿真演示验证方法的方案具有以下特点：

(1)、在系统运行时，可以通过改变主控计算机发送的脉冲星标号，自主或指令切换脉冲星，实现三颗或以上脉冲星的串行模拟要求，模拟指定的脉冲星的轮廓和周期；

(2)、在系统运行中周期性的发送脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，从而实现脉冲星波形轮廓的相位改变，并在一段时间内保持辐射轮廓不变，即航天器位置固定。从而实现相位突变型脉冲星动态模拟。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：包括统一授时子系统、脉冲星导航敏感器子系统、星载计算机导航控制子系统和主控与可视化演示子系统，所述脉冲星导航敏感器子系统包括脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，所述星载计算机导航控制子系统包括星载计算机和遥控遥测模拟计算机；所述主控与可视化演示子系统包括主控计算机和显示模块；

统一授时子系统：输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器；

脉冲星模拟器：接收主控计算机发送的信息数据和统一授时子系统发送的时钟信号，其中，所述信息数据包括脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，然后利用所述脉冲轮廓相位差与标准脉冲星波形轮廓计算生成模拟脉冲星波形轮廓，并产生对应的模拟电压值，再按照所述模拟电压值控制输出X射线，并对所述X射线进行准直处理，输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

脉冲星导航敏感器：接收统一授时子系统输出的时钟信号、脉冲星模拟器输出的X射线平行光和星载计算机发送的导航处理结果；对所述的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号；以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机；

星载计算机：接收遥控遥测模拟计算机发送的控制指令，根据所述控制指令的内容进行相应操作，并将所述操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果发送到遥控遥测模拟计算机；接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星导航敏感器输出的TDOA值，并利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

遥控遥测模拟计算机：发送外部输入的控制指令到星载计算机，并接收星载计算机发送的操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果；

主控计算机：发送设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机；接收星载计算机发送的导航处理结果，与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；

显示模块：接收主控计算机发送的导航处理结果和导航处理误差，进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：脉冲星模拟器包括脉冲星模拟器控制计算机、信号发生器、X射线源和准直器，脉冲星导航敏感器包括镜头及前置放大器和线路盒，其中：

在脉冲星模拟器中：脉冲星模拟器控制计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，，并利用所述相位差值和标准脉冲星波形轮廓控制信号发生器产生模拟脉冲波形轮廓；信号发生器接收统一授时子系统发送的时钟信号，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述模拟脉冲波形轮廓产生对应的模拟电压值，并输出所述模拟电压值到X射线源；X射线源将信号发生器输出的模拟电压值作为控制信号，输出X射线；准直器对X射线源输出的X射线进行准直处理，输出X射线平行光到镜头及前置放大器；

在脉冲星导航敏感器中：镜头及前置放大器接收X射线平行光，进行光电转换，并采用低噪放对所述电信号进行功率放大，输出功放处理后的电信号到线路盒；线路盒接收统一授时子系统输出的时钟信号和星载计算机发送的导航处理结果，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：脉冲星导航敏感器、X射线源和准直器放置在真空罐中，即生成X射线、准直处理、传输X射线平行光和生成脉冲星波形轮廓均在真空环境中实现。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到显示模块，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到显示模块，显示模块对脉冲星轮廓与标准脉冲星波形轮廓进行显示和比较。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：显示模块包括示波器和敏感器地检计算机，其中，脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到示波器进行显示，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到敏感器地检计算机进行显示。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：星载计算机导航控制子系统还包括监控与调试计算机，其中，在对星载计算机进行软件更新时，所述监控与调试计算机上传星载计算机的实时操作系统和应用软件，并对所述软件的运行进行监控和调试。

7.根据权利要求1所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，其特征在于：所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中的脉冲星导航敏感器和星载计算机采用星上真实产品。

8.根据权利要求1所述的一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行仿真验证的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、对所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行初始化，具体处理过程如下：

(1a)、统一授时子系统输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，对脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器进行时钟对准；

(1b)、主控计算机发送初始数据到脉冲星模拟器和星载计算机，其中，所述初始数据包括初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；

(1c)、星载计算机转发所述初始数据到导航敏感器；脉冲星模拟器根据接收初始数据加载标准脉冲星波形轮廓；

(2)、启动所述仿真演示验证系统，具体启动过程如下：

(2a)、主控计算机发送启动命令到脉冲星模拟器，脉冲星模拟器启动工作，并同时发送同步脉冲到脉冲星导航敏感器；脉冲星模拟器启动工作后根据脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(2b)、脉冲星导航敏感器在接收到脉冲星模拟器发送的同步脉冲信号后，开始工作，对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(2c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3)、在系统启动后，主控计算机按照设定的周期发送初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机，即周期性地进行轨道相位切换，并在每次相位切换后重复如下的操作：

(3a)、脉冲星模拟器根据接收到脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元,输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；

(3b)、脉冲星导航敏感器对接收到的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号，按照星载计算机发送的导航处理结果对所述电信号进行处理得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲到达时间差TDOA，然后输出所述TDOA值到星载计算机；

(3c)、星载计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星敏感器发送的TDOA值，利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到的导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；

(3d)、主控计算机将星载计算机发送得导航处理结果与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；

(3e)、在显示模块中进行导航处理结果和导航处理误差显示。