CN106052712B - 一种x射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X射线脉冲星动态信号半实物模拟的方法，方法包括以下步骤：1、设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数，动态轮廓数据生成服务器根据设置参数生成脉冲星信号动态轮廓数据；2、每隔一定时间，动态轮廓数据生成服务器实时发送动态轮廓数据到射线源流量控制器；3、射线源流量控制器驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号；4、X射线探测器测量X射线光子到达事件。本发明实现X射线脉冲星动态信号的半实物模拟，适用于对脉冲星导航系统理论方法的验证和工程技术的研究。

Description

一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及航天器导航技术领域，特别地，涉及一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法及系统，适用于脉冲星导航系统理论方法的验证和工程技术的研究。
背景技术
X射线脉冲星导航技术是一种前瞻性的自主导航方法，它利用脉冲星辐射的X射线信号为航天器导航。脉冲星是一种高速旋转的中子星，能够以高精度稳定的频率辐射X射线信号，有些毫秒脉冲星的自转周期长期稳定度可以媲美当前的原子钟。由于脉冲星远离太阳系，脉冲星提供的高精度时间信息可以为地球轨道航天器和深空探测器提供位置参考信息，从而实现导航定位功能。由于其具有广阔的应用前景，X射线脉冲星导航技术得到了国内外的广泛关注。
脉冲星X射线波段信号及其微弱，在地面上几乎无法接收，因此为了进行脉冲星导航理论方法验证和探测器研发，脉冲星信号地面模拟技术是当前的研究热点。其中，航天器处接收到的脉冲星信号含有动态多普勒频移，其变化随航天器轨道运动而动态变化。若不加处理，这种信号频率变化对导航精度影响很大，因此模拟脉冲星动态信号，进而研究脉冲星动态信号处理，对提高脉冲星导航精度有重要意义。模拟脉冲星动态信号对地面模拟方法的性能有很高的要求，是脉冲星信号地面模拟技术中的难点。
在中国专利CN200910023357.0和CN200910023707.3的专利申请中提出了一种基于半导体激光器的X射线脉冲星信号模拟方法，该系统只能产生激光信号，与X射线脉冲星实际辐射的软X射线信号差别很大。在中国专利CN200910023383.3的专利申请中提出的脉冲星模拟信号属于脉冲星波形的电信号，也与X射线脉冲星实际辐射的信号有较大差别。中国专利CN201010140837.8的专利申请中提出了一种脉冲星X射线信号的模拟方法，但该方法仅能模拟脉冲星静态信号，并不能准确模拟在轨航天器处脉冲星信号的动态多普勒频移。中国专利CN201510156035.9的专利申请中提出了模拟在轨航天器处脉冲星信号的多普勒频移的方法，但其依然不属于X射线波段的信号。
发明内容
本发明目的在于提供一种可靠性高、信号周期精确可控、信号波形可调制的X射线动态信号模拟方法及系统，以解决现有技术无法精确模拟X射线脉冲星信号的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：
A、设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数，动态轮廓数据生成服务器根据上述参数生成脉冲星信号动态轮廓数据；
B、每隔一定时间，所述动态轮廓数据生成服务器实时发送动态轮廓数据到所述射线源流量控制器；
C、所述射线源流量控制器驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号；
D、X射线探测器测量X射线光子到达事件。
优选地，还包括：
在步骤A和B之间，射线源流量控制器与光子信息读出模块进行时间同步；
在步骤D之后，包括：
X射线光子到达事件被所述光子信息读出设备记录时间标记；
X射线光子到达事件通过光子信息读出设备发送至数据处理计算机，最后由数据处理计算机处理X射线光子到达事件，得到测试结果。
优选地，步骤B的时间间隔为1微秒。
优选地，步骤A的脉冲星信号动态轮廓数据以文件形式保存在所述动态轮廓数据生成计算机上。
优选地，步骤A的脉冲星信号动态轮廓数据的波形Γ表示为：
Γ＝λ[φdet(t)]
其中，λ(φ)是脉冲星标准模板轮廓波形；φdet(t)为脉冲星脉冲相位，表示为：
其中，φ0表示t0时刻脉冲相位，fs表示脉冲星自转频率，c表示光速，rn(t)表示航天器位置在脉冲星视线上的投影；
rn表示为：
式中，r、v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；np为引力扰动天体的数目；rri和rpi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，rri和rpi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μi是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动等摄动力的影响；n为脉冲星方向矢量。
本申请还公开了一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟系统，包括以下组件：
动态轮廓数据生成服务器，根据设置的航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数生成脉冲星信号动态轮廓数据，并每隔一定时间，将动态轮廓数据实时发送到射线源流量控制器；
射线源流量控制器，驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线发生器，产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线探测器，测量X射线光子到达事件。
优选地，还包括：
射线源流量控制器，与光子信息读出模块保持时间同步；
光子信息读出模块，用于给X射线探测器测量到的X射线光子到达事件记录时间标记；
数据处理计算机，用于处理X射线光子到达事件，得到测试结果。
本发明具有以下有益效果：
本方法可用于X射线脉冲星导航动态周期信号的半实物模拟，该方法操作简便，模拟信号周期准确度高、动态信号轮廓精度高。有助于X射线脉冲星导航系统理论方法的验证和工程技术的研究，解决了在轨航天器处动态信号模拟的难题，促进了脉冲星导航技术领域研究工作的开展。
并且本方法适用辐射源类型广，可适用于自转供能脉冲星、吸积供能脉冲星等多种空间X射线辐射源信号的模拟；适用X射线发生器种类广，可适用于栅控X射线发生器、紫外调制X射线发生器、码盘调制X射线发生器等；适用航天器轨道类型广，可适用于地球低轨道、地球中高轨道以及深空轨道的动态信号模拟。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的系统结构示意图；
其中，1、动态轮廓数据生成计算机，2、射线源流量控制器，3、X射线发生器，
4、X射线探测器，5、光子信息读出模块，6、数据处理计算机；
图2是本发明应用实例中使用的PSR B0531+21脉冲星轮廓函数；
图3是本发明应用实例中所产生脉冲星信号周期随轨道变化的情况；
图4是本发明应用实例中利用已知的轨道信息反推恢复的脉冲星轮廓。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本申请X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：
1、设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数，动态轮廓数据生成服务器根据设置的参数生成脉冲星信号动态轮廓数据。
设置实例仿真条件：观测脉冲星PSR B0531+21，时长5400s。航天器轨道选择近地轨道初始状态为[xx0,xy0,xz0,vx0,vy0,vz0]T＝[0,6578000,0,-7784.3384,0,0]T，位置单位为米，速度单位为米/秒。仿真采用的脉冲星标准模板轮廓波形，如图2所示。
航天器处探测到脉冲星脉冲相位可表示为：
式(1)中，φ0表示t0时刻脉冲相位，fs表示脉冲星自转频率，c表示光速，vn(t)是航天器在轨运动速度在脉冲星视线方向上的投影分量。由于轨道积分作用，(1)可进一步写为，
式(2)中，rn(t)表示航天器位置在脉冲星视线上的投影。对于考虑其他天体摄动的航天器运行轨道，rn可表示为，
式(3)中，r，v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；np为引力扰动天体的数目；rri和rpi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，rri和rpi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μi是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动等摄动力的影响；n为脉冲星方向矢量。
于是动态信号轮廓波形可表示为，
Γ＝λ[φdet(t)] (4)
其中，λ(φ)是脉冲星标准模板轮廓波形，如图2所示，它是以脉冲相位为自变量的函数。获得的动态信号轮廓以文件形式保存在动态轮廓数据生成计算机1上。
2、启动系统工作并将射线源流量控制器与光子信息读出模块时间同步
当系统启动发生信号时，由射线源流量控制器2产生一个同步脉冲传送给光子信息读出模块5，用来同步光子信息读出设备与信号源的时间起始点，即将光子信息读出模块5的光子到达时间计数器清零。
3、每隔一定时间ΔT实时发送动态轮廓数据到射线源流量控制器
参见图1，由动态轮廓数据生成计算机1事先生成的脉冲星动态轮廓数据以数据文件形式保存在动态轮廓数据生成计算机1上。当系统启动工作后，动态轮廓数据生成计算机间隔一定时间ΔT实时将动态信号轮廓波形Γ中的一个点发送给射线源流量控制器2。在本实例中ΔT取1微秒。
4、射线源流量控制器驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号
射线源流量控制器2根据数据大小换算成X射线流量，驱动X射线发生器3发射对应流量的X射线信号。当系统工作时间达到设定工作时长后，系统停止工作。
5、X射线探测器测量X射线光子到达事件，并被光子信息读出模块接收
发生的X射线光子到达事件由X射线探测器4检测，并被光子信息读出设备5记录时间标记，最后由数据处理计算机6处理得到测试结果。所产生脉冲星信号周期随轨道变化的情况，如图3所示。利用已知的轨道信息，反推恢复的脉冲星轮廓如图4所示。
参见图1，本申请还提供一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟系统，包括以下组件：
动态轮廓数据生成服务器1，根据设置的航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数生成脉冲星信号动态轮廓数据，并每隔一定时间；将动态轮廓数据实时发送到射线源流量控制器2；
射线源流量控制器2，驱动X射线发生器3产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线发生器3，产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线探测器4，测量X射线光子到达事件；
半实物模拟系统还可以包括：
射线源流量控制器2，与光子信息读出模块5保持时间同步；
光子信息读出模块5，用于给X射线探测器4测量到的X射线光子到达事件记录时间标记。
数据处理计算机6，用于处理X射线光子到达事件，得到测试结果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟方法，包括以下步骤：
A、设置航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数，动态轮廓数据生成服务器根据上述参数生成脉冲星信号动态轮廓数据；
B、每隔一定时间，所述动态轮廓数据生成服务器实时发送动态轮廓数据到所述射线源流量控制器；
C、所述射线源流量控制器驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号；
D、X射线探测器测量X射线光子到达事件；
在步骤A和B之间，射线源流量控制器与光子信息读出模块进行时间同步；
在步骤D之后，包括：
X射线光子到达事件被所述光子信息读出设备记录时间标记；
X射线光子到达事件通过光子信息读出设备发送至数据处理计算机，最后由数据处理计算机处理X射线光子到达事件，得到测试结果。
2.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤C的时间间隔为1微秒。
3.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤A的脉冲星信号动态轮廓数据以文件形式保存在所述动态轮廓数据生成计算机上。
4.根据权利要求1所述的半实物模拟方法，其特征在于，步骤A的脉冲星信号动态轮廓数据的波形Γ表示为：
Γ＝λ[φdet(t)]
其中，λ(φ)是脉冲星标准模板轮廓波形；φdet(t)为脉冲星脉冲相位，表示为：
其中，φ0表示t0时刻脉冲相位，fs表示脉冲星自转频率，c表示光速，rn(t)表示航天器位置在脉冲星视线上的投影；
rn表示为：
式中，r、v分别为航天器相对于中心天体的位置和速度矢量，r是位置矢量r的模；np为引力扰动天体的数目；rri和rpi分别为航天器相对于第i颗扰动天体与该天体相对于中心天体的位置矢量，rri和rpi分别为其对应的位置标量；μ是中心天体引力常数，μi是第i颗扰动天体的引力常数；ΔF为中心天体非球形摄动的高阶摄动项以及太阳光压摄动的影响；n为脉冲星方向矢量。
5.一种X射线脉冲星动态信号的半实物模拟系统，包括以下组件：
动态轮廓数据生成服务器，根据设置的航天器运动轨道参数、观测脉冲星参数、观测时长参数生成脉冲星信号动态轮廓数据，并每隔一定时间，将动态轮廓数据实时发送到射线源流量控制器；
射线源流量控制器，驱动X射线发生器产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线发生器，产生脉冲星动态X射线光子信号；
X射线探测器，测量X射线光子到达事件；
射线源流量控制器，与光子信息读出模块保持时间同步；
光子信息读出模块，用于给X射线探测器测量到的X射线光子到达事件记录时间标记；
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