CN110068339A - X射线脉冲星空间导航的地面模拟定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线脉冲星空间导航的地面模拟定位系统，包括X射线放射源、闪烁体探测器、反射层、光电倍增管、屏蔽盒、运算放大器、电源、数字化谱仪和采样服务器。本模拟定位系统结合提出的定位方法可以进行地面实验，模拟实现利用X射线脉冲星的导航定位，为X射线脉冲星导航研究提供了理论与导航定位方法。

Description

X射线脉冲星空间导航的地面模拟定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种航天器在宇宙空间中的模拟导航定位系统，并运用新的导航定位方法，其特征是可进行地面模拟航天器在宇宙空间中位置的判定。

背景技术

目前，现有的导航定位系统如GPS、北斗导航等定位系统，为军事、民生提供了巨大的便利，促进了经济的发展。缺点是需要发射卫星及建设大量地面站作为支撑，并且只能提供地面及空中目标的定位，对于近地轨道以及宇宙空间中的飞行器则无法实现定位，而且一旦发生战争，还面临着被摧毁的风险。因此，探索新的导航技术成了各大国竞争的焦点之一。

脉冲星作为宇宙中一类旋转的中子星，可发射X射线，具有稳定的辐射周期。利用脉冲星可发射X射线的特点，国内外已研究多种定位方法，但是各有长短，仍有定位不可靠、所需探测器数量过多等缺点。因此，搭建简单小型地面模拟定位系统，提供可靠定位方法成为研究方向之一。

发明内容

为了克服现有导航定位系统无法提供航天器在宇宙空间导航定位的缺点，本发明提供一套地面模拟定位系统，并提出一种航天器在宇宙空间的定位方法，模拟实现航天器在宇宙空间中的导航定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一套地面模拟定位系统和定位方法，包括以下步骤：

A、搭建地面模拟定位系统，包括X射线放射源、X射线闪烁体探测器(以下简称为探测器)、屏蔽盒、运算放大器、电源、数字化谱仪和采样服务器。所述探测器包括闪烁体晶体、光电倍增管、反射层；所述采样服务器包括电脑、数据接收卡。

其中，所述的X射线放射源主要模拟脉冲星发射X射线，且数量不少于四个；所述的探测器主要将探测到的物理信号转换为微弱电信号，通过光电倍增管进行收集并放大，反射层主要用来屏蔽外界光线的干扰，探测器数量为一个；所述的运算放大器主要用来放大从探测器输出的微弱电流信号；所述的电源主要用来给探测器提供28.5V左右的电压；所述的数字化谱仪主要用来将运算放大器放大的模拟信号转变为数字信号，便于分析处理；所述的采样服务器用来存储、分析、处理采集完毕的数据；所述的数据接收卡安装在电脑上，做为数字化谱仪与电脑的连接桥；各硬件通过电缆或光纤相连接。

B、进行地面模拟实验，将所采集的数据静态存储于采样服务器中。

C、分析所采集的数据，运用定位方法，实现对探测器位置的判定。

其中，导航定位方法主要通过X射线放射源与坐标系中探测器之间的位置关系，计算出X射线放射源的坐标位置，具体包括：

通过X射线放射源单位时间放射的粒子数与探测器单位时间内探测到的粒子数得出公式：

其中T为X射线放射源单位时间内放射出的粒子数，ε为探测器的探测效率，R为放射源和探测器的距离，T₀为单位时间探测器所探测到的粒子数，S为探测器接收辐射的面积。

进一步的，推导得出：

根据公式分别计算出探测器与各个放射源的距离，结合各个放射源的坐标建立方程组：

其中(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为四个X射线放射源O₁、O₂、O₃、O₄的坐标，(x，y，z)为探测器的坐标。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的地面模拟定位系统结构简单，较小型化，可以进行地面模拟实验，也可以搭载于空间站进行实验探测。

2、本发明中的定位方法简单实用，所使用的放射源数量越多，越有利于得到更为精确的定位结果，也可以使用多余的放射源验证定位结果的可靠性。

3、本发明中使用的放射源不仅局限于X射线放射源，可根据实际情况进行调整。

附图说明

图1为本发明实施例的探测器地面模拟定位系统示意图。

图2为本发明实施例的探测器外部屏蔽盒结构示意图。

图3为本发明实施例的探测器与接受单个X射线放射源辐射示意图。

图4为本发明实施例的探测器与四个X射线放射源在坐标系中的位置关系示意图。

图中：

1.系统电源，2.反射层，3.光电倍增管，4.塑料闪烁体，5.运算放大器，6.数字化谱仪，7.数据接收卡，8.电脑，9.屏蔽盒，10.电源输入线通孔，11.模拟信号输出线通孔。

具体实施方式

为了对本发明进行深入全面的了解，使本发明的目的、特征更加容易理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明是一种X射线脉冲星地面模拟导航定位系统，并结合提出的导航定位方法，实现地面模拟定位。

参见图1，示出了X射线脉冲星地面导航模拟定位系统的实施例。在该实施例中，包括：电源1，探测器进一步由反射层2、光电倍增管3和塑料闪烁体4组成，运算放大器5，数字化谱仪6，采样服务器进一步有数据接收卡7和电脑8组成。

参见图2，在整个模拟定位过程中，探测器被放置在屏蔽盒9中，以屏蔽外界光线的干扰。孔10为电源输入线通孔，孔11为模拟信号输出线通孔。

下面结合图1至图4，对本实施例这个模拟实验及定位方法做详细的分析。

首先，搭建地面模拟定位系统。探测器放置在屏蔽盒9中，使用电源线通过通孔10将电源1与探测器相连；使用电缆将探测器与运算放大器5通过通孔11相连；使用电缆将运算放大器5与数字化谱仪6相连；使用光纤将数字化谱仪6与安装在电脑8上的数据接收卡7相连。

在地面模拟定位过程中，建立直角坐标系，参见图4，将四个X射线放射源分别放置在坐标系的不同位置，它们的坐标分别为O₁，O₂，O₃，O₄，将探测器放置在坐标系的任意位置，其坐标未知。

开启电源1对探测器进行供电，探测器接收X射线放射源的辐射粒子，并将其转变为微弱的电信号输入到运算放大器5，被放大后的电流信号传输至数字化谱仪6，将模拟信号转变为数字信号，通过数据接收卡7传输至电脑8存储，采集一定数据之后，进行分析处理。

分别分析单位时间内探测器所探测到的四个放射源的粒子数，参见图3，根据放射源的球面辐射方式可得出以下公式：

其中T为X射线放射源单位时间内放射出的粒子数，ε为探测器的探测效率，R为放射源和探测器的距离，T₀为单位时间探测器所探测到的粒子数，S为探测器接收辐射的面积。

可推导得出以下公式：

根据该公式分别计算出探测器与四个放射源的距离R₁、R₂、R₃、R₄，利用四个放射源的已知坐标建立下面方程组：

其中(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为四个X射线放射源O₁、O₂、O₃、O₄的坐标，(x，y，z)为X射线探测器的坐标。

方程组由四个球面方程组成，四个球的交点即为探测器坐标未知。通过解三元二次超定方程计算出探测器的坐标，从而实现对其定位。

需要指出的是，由于探测器效率的高低、电流噪声等一些因素，致使通过此方程组无法求出探测器的确定值，应该使用最小二乘法求该方程组的近似解，以得到探测器的近似坐标。

Claims (5)

1.一种X射线脉冲星地面模拟导航定位系统及定位方法，其特征在于：包括电源、X射线闪烁体探测器、屏蔽盒、运算放大器、数字化谱仪、采样服务器；所述电源可提供X射线闪烁体探测器28.5V左右的电压；所述X射线闪烁体探测器包括反射层、塑料闪烁体、光电倍增管，在塑料闪烁体两端使用硅油各连接一个光电倍增管，反射层包裹在塑料闪烁体的周围；所述屏蔽盒内外为黑色，封闭严密，完全屏蔽外界光线的进入；所述采样服务器包括数据接收卡和电脑，数据接收卡安装在电脑主机上。

2.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面模拟导航定位系统，其特征在于：所述的电源为通用可调电压电源。

3.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面模拟导航定位系统，其特征在于：所述的塑料闪烁体尺寸为6mm*6mm*13mm。

4.根据权利要求1所述的X射线脉冲星地面模拟导航定位系统，其特征在于：所述的屏蔽盒为铁质金属材料，厚度小于5mm，顶层可拆卸，严密封闭。

5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：

通过X射线放射源单位时间放射的粒子数与X射线闪烁体探测器单位时间内探测到的粒子数得出公式：

其中T为X射线放射源单位时间内放射出的粒子数，ε为探测器的探测效率，R为放射源和探测器的距离，T₀为单位时间探测器所探测到的粒子数，S为探测器接收辐射的面积。

进一步的，推导得出：

根据公式分别计算出X射线闪烁体与各个放射源的距离，结合各个放射源的坐标建立方程组：

其中(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别为四个X射线放射源O₁、O₂、O₃、O₄的坐标，(x，y，z)为X射线探测器的坐标。