专利名称：一种脉冲星信号模拟器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子电路技术领域，涉及信号模拟器，特别是一种脉冲星信号模拟 器，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。
背景技术：
2004年，美国国防高级研究计划局局长Tony Tether在犹他州立大学召开的一次 学术会议上透露，美国国防高级研究计划局的战术技术办公室正在开展"基础X射 线源的自主导航定位"计划研究。X射线脉冲星自主导航作为一种新的天文导航方 法，抗干扰能力强，可靠性高，覆盖范围广，在日心惯性系中的位置固定，无需提 供星历，具有重要战略意义和巨大的发展潜力。X射线脉冲星导航已成为深空导航 领域的重要研究方向。
目前，X射线脉冲星导航仍处于理论研究阶段，需要大量的X射线脉冲星观测 信号进行研究。但是，地球大气对X射线具有不透明性，因此在地面无法接收到脉 冲星辐射的X射线信号，只能通过卫星搭载X射线探测器对脉冲星进行观测。星载 X射线探测器设计难度大，成本高，维护困难，这限制了X射线脉冲星导航理论方 法的验证和工程技术的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对星载x射线探测器设计难度大，成本高，维护困难的问 题，提供一种脉冲星信号模拟器，模拟卫星接收到的脉冲星信号，便于实现对x射
线脉冲星导航理论方法的验证和工程技术的研究。
为实现上述目的，本发明提供的脉冲星信号模拟器，包括
脉冲星模拟计算机，用于模拟产生卫星接收到的脉冲星数据，监测数据接收缓 冲板的反馈信息，并将脉冲星模拟数据通过数据端口发送到数据接收缓冲板，该脉 冲星模拟计算机内装有人机交互界面、脉冲星信号模拟单元、脉冲星特征参数库和 卫星星历库，用户通过人机交互界面设置脉冲星信号模拟器的各种参数，脉冲星信 号模拟算法根据这些参数查找脉冲星特征参数库和卫星星历库，模拟卫星飞行过程中接收到的脉冲星信号；
数据接收缓冲板，用于将接收到的数据放入缓存，将缓存的状态反馈至脉冲星 模拟计算机，在需要时将缓存中的数据发送给模拟输出板；
模拟输出板，用于将接收到的数字信号转换为模拟信号，模拟产生脉冲星信号。 上述脉冲星模拟器，其中的脉冲星信号模拟单元，包括-
TOA预测模型产生模块，用于从脉冲星特征参数库中提取TOA预测模型，生 成太阳系质心接收到的X射线脉冲星信号的波形；
万有引力模拟模块，用于模拟太阳、木星等大质量星体产生的相对论效应对脉 冲星信号的影响；
噪声模拟模块，用于根据脉冲星特征参数库中的脉冲星到太阳系质心传播路径 的噪声特性和该脉冲星辐射方向上的空间X射线背景噪声特性，产生噪声信号，并 向上述的脉冲星信号的波形中加入噪声-
伪距计算模块，用于根据卫星星历中和轨道摄动计算卫星当前时刻距离太阳系 质心的距离和该距离在脉冲星辐射方向上的投影；
相位差计算模块，用于根据卫星和太阳系质心的距离在脉冲星辐射方向上的投 影，计算脉冲星到达卫星和太阳系质心的相位差；
移位模块，用于根据脉冲星到达卫星和太阳系质心的相位差，对当前时刻的太 阳系质心接收到的脉冲星波形进行移位，得到当前时刻卫星接收到的脉冲星信号。
上述脉冲星模拟器，其中的人机交互界面，用于让用户选择脉冲星型号、卫星 轨道，让用户输入卫星起始位置、模拟的起始日期、时间和模拟信号信噪比。
上述脉冲星模拟器，其中的脉冲星特征参数库，包括脉冲星的距离、自行速度、 辐射方向、TOA预测模型、累积脉冲轮廓模型、脉冲星信号中的噪声特性和该脉冲 星方向的空间X射线背景噪声特性。
上述脉冲星模拟器，其中的卫星星历库，包括卫星轨道数据库和卫星轨道摄动。
上述脉冲星模拟器，其中的数据接收缓冲板，包括数据输入端口、接口芯片、 FPGA芯片、FIFO芯片和并行输出端口，该接口芯片接收数据输入端口上的数据， 将其发送至FPGA芯片，FPGA芯片将收到的数据存入FIFO芯片中，当FIFO芯片 中的数据累积到一定量后，FPGA芯片将数据从FIFO中读出，通过并行端口输出发 送出去。上述脉冲星模拟器，其中的模拟输出板，包括并行输入端口、 CPLD芯片、高 精度时钟芯片、时钟驱动芯片、5片数模转换芯片和5路模拟信号输出接口，该CPLD 芯片接收并行输入端口上的数据，将其发送至5片数模转换芯片中，高精度时钟通 过CPLD芯片送至时钟驱动芯片，产生5路高精度时钟，分别接至5片数模转换芯 片的转换时钟引脚上，5片模数转换芯片将12位数字信号转换为模拟电压信号，通 过5路模拟信号输出接口发送出去。
本发明具有如下优点
1. 本发明由于采用了脉冲星模拟计算机来模拟卫星绕地球运行中接收到的脉 冲星数据，可以模拟卫星运行过程中的各种摄动的影响和脉冲星辐射过程中的各种 扰动，接近真实信号。
2. 本发明由于能够模拟多种不同轨道的卫星接收到的不同脉冲星信号，并能设 置模拟的起始时间、起始位置和模拟信号的信噪比等参数，因而该模拟器设计灵活， 适用范围广。
3. 本发明由于采用脉冲星模拟计算机、数据接收缓冲板和模拟信号输出板组成 模拟系统，同星载X射线探测器相比，具有实现简单，成本低的优点。
图l是本发明的系统结构框图2是本发明中的脉冲星模拟计算机的结构示意图3是本发明中脉冲星模拟计算机内运行的脉冲星信号模拟单元结构示意图 图4是本发明中的数据接收缓冲板结构示意图； 图5是本发明中的模拟输出板结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括脉冲星模拟计算机、数据接收缓冲板、模拟输出板， 其中脉冲星模拟计算机模拟产生卫星接收到的脉冲星数据，通过USB总线发送到数 据接收缓冲板，但并不局限于USB总线，数据接收缓冲板将接收到的数据放入缓存， 需要时通过8位数据总线和1位信号时钟发送给模拟输出板，模拟输出板将接收到 的数字信号转换为模拟信号，从而产生脉冲星信号。
如图2所示，脉冲星模拟计算机内装有人机交互界面、脉冲星信号模拟单元、脉冲星特征参数库和卫星星历库。人机交互界面，用于让用户选择脉冲星型号、卫星轨道，让用户输入卫星起始位置、模拟的起始日期、时间和模拟信号信噪比。脉冲星信号模拟单元根据人机交互界面设置的模拟参数，査找脉冲星特征参数库和卫星星历库，模拟卫星飞行过程中接收到的脉冲星信号。
其中，脉冲星的型号包括J0030+0451、 B0633+17、 B1509-58、 J0437-47、BI821-24、 B0656+14、 B0540-69、 J2124-33、 B1055-52、 B1937+21、 B0329+54、B1642-03、 B0950+08和B0740-28。用户可以在人机交互界面中任选其中的5颗脉冲星。脉冲星特征参数数据库中包括了上述脉冲星的距离、自行速度、辐射方向、TOA预测模型、累积脉冲轮廓模型、脉冲星信号中的噪声特性和该脉冲星方向的空间X射线背景噪声特性。
卫星轨道包括高轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星。用户在三种轨道中任选--个，并设置其轨道参数。卫星星历库中包含了高、中、低轨卫星的轨道数据和摄动。
如图3所示，本发明中的脉冲星模拟计算机内运行的脉冲星信号模拟单元，包括TOA预测模型产生模块、万有引力模拟模块、噪声模拟模块、伪距计算模块、相位差计算模块和移位模块。其中
TOA预测模型产生模块，首先从脉冲星特征参数数据库中提取该脉冲星的周期和累积脉冲轮廓，然后利用周期的长度对累积脉冲轮廓进行周期延拓，从而生成太阳系质心接收到的，没有噪声污染、没有收到万有引力效应影响的理想脉冲星信号。
万有引力模拟模块，从脉冲星特征参数库中提取太阳、木星等大质量星体对脉冲星辐射信号的万有引力的影响，并据此修改上述理想脉冲星信号。
噪声模拟模块，从脉冲星特征参数库中提取脉冲星到太阳系质心传播路径的噪声特性和该脉冲星辐射方向上的空间X射线背景噪声特性，生成噪声，并加入t述理想脉冲星信号。
伪距计算模块，首先从用户界面中提取用户设置的脉冲星模拟参数，据此提取卫星星历库中的卫星星历数据；再根据卫星的位置，计算在太阳系质心惯性坐标系中卫星和太阳系质心的直线距离；然后从脉冲星特征参数库中提取脉冲星的辐射方向，并计算上述距离在该辐射方向上的投影，即为伪距。
相位差计算模块，利用伪距在脉冲星辐射方向上的投影除以脉冲星信号在真空中的传播速度，得出卫星和太阳系质心接收到的脉冲星信号的相位差，在本发明中，该速度定位光速。
移位模块，利用相位差对已经模拟好的太阳系质心接收到的脉冲星信号的波形进行移位操作，从而模拟得到卫星接收到的脉冲星信号。
如图4所示，数据接收缓冲板包括USB端口、 USB接口芯片、FPGA芯片、FIFO芯片和并行端口。其中USB接口芯片采用CY7C68013A，但并不局限于该芯片。CY7C68013A接收USB总线上传来的数据，将其发送至FPGA芯片。FPAG芯片采用EP1C6Q240C8，但并不局限于该芯片，EP1C6Q240C8将USB接口芯片发送来的数据存入FIFO芯片中，当FIFO芯片中的数据累积到一定量后，FPGA芯片将数据从FIFO芯片中读出，通过并行端口发送出去。FIFO芯片采用IDT72V3690，但并不局限于该芯片。
如图5所示，模拟信号输出板包括并行端口、 CPLD芯片、高精度时钟芯片、时钟驱动芯片、5片模数转换芯片和5路模拟信号输出接口。其中CPLD芯片采用EPM7128AE，但并不局限于该芯片，EPM7128AE接收并行总线上的数据，将接收到的5路脉冲星模拟数据通过12位数据总线分别发送至5片模数转换芯片中。高精度时钟芯片采用PTOC32246，输出频率为10MHz，在0°C 70 °C范围内相对于25°C时的偏移《士0.01ppm，老化率《土0.0005ppm/天，阿伦方差《±5E-H/s，高精度时钟信号通过CPLD发送至时钟驱动芯片。时钟驱动芯片采用IDT74FCT3807，当并不局限于该芯片，IDT74FCT3807产生5路高精度时钟，分别送至5片模数转换芯片的转换时钟引脚上。模数转换芯片釆用AD9742，但并不局限于该芯片，5片AD9742根据高精度时钟，接收到的将12位数据转换为模拟电压，通过5路模拟信号输出接口发送出去。
上述为本发明的一个具体实例，但不限于所述实例，显然任何人在本发明的思想下可进行不同方式的修改，但这些均在本发明保护范围之列。
权利要求
1、一种脉冲星信号模拟器，包括脉冲星模拟计算机，用于模拟产生卫星接收到的脉冲星数据，监测数据接收缓冲板的反馈信息，并将脉冲星模拟数据通过数据端口发送到数据接收缓冲板，该脉冲星模拟计算机内装有人机交互界面、脉冲星信号模拟单元、脉冲星特征参数库和卫星星历库，用户通过人机交互界面设置脉冲星信号模拟器的各种参数，脉冲星信号模拟算法根据这些参数查找脉冲星特征参数库和卫星星历库，模拟卫星飞行过程中接收到的脉冲星信号；数据接收缓冲板，用于将接收到的数据放入缓存，将缓存的状态反馈至脉冲星模拟计算机，在需要时将缓存中的数据发送给模拟输出板；模拟输出板，用于将接收到的数字信号转换为模拟信号，模拟产生脉冲星信号。
2、 根据权利要求1所述的脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的脉冲星 信号模拟单元，包括TOA预测模型产生模块，用于从脉冲星特征参数库中提取TOA预测模型， 生成太阳系质心接收到的X射线脉冲星信号的波形；万有引力模拟模块，用于模拟太阳、木星等大质量星体产生的相对论效应对 脉冲星信号的影响；噪声模拟模块，用于根据脉冲星特征参数库中的脉冲星到太阳系质心传播路 径的噪声特性和该脉冲星辐射方向上的空间X射线背景噪声特性，产生噪声信 号，并向上述的脉冲星信号的波形中加入噪声；伪距计算模块，用于根据卫星星历中和轨道摄动计算卫星当前时刻距离太阳 系质心的距离和该距离在脉冲星辐射方向上的投影；相位差计算模块，用于根据卫星和太阳系质心的距离在脉冲星辐射方向上的 投影，计算脉冲星到达卫星和太阳系质心的相位差；移位模块，用于根据脉冲星到达卫星和太阳系质心的相位差，对当前时刻的 太阳系质心接收到的脉冲星波形进行移位，得到当前时刻卫星接收到的脉冲星信 号。
3、 根据权利要求1所述的X射线脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的人机交互界面，用于让用户选择脉冲星型号、卫星轨道，让用户输入卫星起始位 置、模拟的起始日期、时间和模拟信号信噪比。
4、 根据权利要求1所述的X射线脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的 脉冲星特征参数库，包括脉冲星的距离、自行速度、辐射方向、TOA预测模型、累积脉冲轮廓模型、脉冲星信号中的噪声特性和该脉冲星方向的空间x射线背景噪声特性。
5、 根据权利要求1所述的X射线脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的 卫星星历库，包括卫星轨道数据库和卫星轨道摄动。
6、 根据权利要求1所述的X射线脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的数据接收缓冲板，包括数据输入端口、接口芯片、FPGA芯片、FIFO芯片和并 行输出端口，该接口芯片接收数据输入端口上的数据，将其发送至FPGA芯片， FPGA芯片将收到的数据存入FIFO芯片中，当FIFO芯片中的数据累积到一定 量后，FPGA芯片将数据从FIFO中读出，通过并行端口输出发送出去。
7、 根据权利要求1所述的X射线脉冲星信号模拟器，其特征在于所述的 模拟输出板，包括并行输入端口、 CPLD芯片、高精度时钟芯片、时钟驱动芯片、 5片数模转换芯片和5路模拟信号输出接口 ，该CPLD芯片接收并行输入端口上 的数据，将其发送至5片数模转换芯片中，高精度时钟通过CPLD芯片送至时钟 驱动芯片，产生5路高精度时钟，分别接至5片数模转换芯片的转换时钟引脚上， 5片模数转换芯片将12位数字信号转换为模拟电压信号，通过5路模拟信号输 出接口发送出去。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲星信号模拟器，主要解决目前X射线脉冲星信号只能通过卫星搭载X射线探测器获取的问题。该系统主要包括脉冲星模拟计算机、数据接收缓冲板、模拟信号输出板。脉冲星模拟计算机模拟根据人机交互界面的用户输入，提取脉冲星特征参数库和卫星星历库中的信息，产生卫星运行过程中接收到的脉冲星数据，通过数据端口发送到数据接收缓冲板，数据接收缓冲板将接收到的数据放入缓存，需要时发送给模拟输出板，模拟输出板将接收到的数字信号转换为模拟信号，从而模拟产生X射线脉冲星信号。本发明能模拟出卫星运行过程中接收到的脉冲星信号，且设置灵活，适用范围广，便于实现对X射线脉冲星导航理论方法的验证和工程技术的研究。
文档编号G01C21/02GK101603831SQ20091002338
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者华 张, 哲 苏, 许录平, 谢振华 申请人:西安电子科技大学