一种随机信号序列的模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种随机信号序列的模拟方法，能模拟光子涨落信息和任意随机过程信号，迅速实现光子达到时间长期高精度模拟。步骤一，利用待模拟信号的光子流量函数推导出光子数分布函数；步骤二，根据所述光子数分布函数的分布满足均匀分布的特点，利用均匀分布函数生成随机数，从而得到光子数的随机数；步骤三，利用光子数涨落满足的随机分布，在观测时间段内取满足该随机分布的随机变量，作为观测时间段内探测到的光子的次数Nf；步骤四，重复步骤二Nf次，得到Nf个光子数的随机数；步骤五，利用光子数分布函数的反函数，对Nf个随机数进行反函数变换，得到Nf个光子到达时间的随机数，并进行大小排序，得到光子达到时间随机序列。
【专利说明】一种随机信号序列的模拟方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号模拟产生技术，涉及一种诸如脉冲星X射线光子到达时间的随机信号序列的模拟方法。
【背景技术】
[0002]X射线脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为外部信息基准，经过相应的信号和数据处理，进行高精度轨道确定、时间同步和姿态测量，自主生成导航电文和控制指令，维持星座基本构形。
[0003]由于地球大气对X射线有很强的吸收作用，在地面上无法接收到脉冲星辐射的X射线信号；因此在地面进行脉冲星导航试验验证时，必须模拟脉冲星辐射的X射线信号，从而满足脉冲星导航系统关键技术地面试验验证的需求。
[0004]西安电子科技大学苏哲等人发明了“一种脉冲星信号模拟器”(CN200910023383.3)。该系统利用脉冲星模拟计算机，产生卫星运行过程中接受到的脉冲星数据，通过数据接受缓冲板，发送给模拟输出板，转换为模拟信号输出，从而实现用电脉冲模拟X射线脉冲星信号。这种方案简单易行，但存在以下三个不足:其一是缺少光子到达时间涨落信息，不能真实的模拟脉冲星辐射的X射线信号；其二是局限模拟非齐次泊松过程脉冲星信号，不能对任意随机过程的脉冲星信号进行模拟；其三是光子到达时间数据生成花费时间长，不能在短期内产生长时间的脉冲星光子到达时间模拟数据，以仿真验证长时间脉冲星自主导航的性能。同时，现有的关于脉冲星辐射信号模拟，“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置”CN201010140837.8)、“多周期性射线信号发生系统”(CN200910043352.4和“一种任意波形X射线发生装置及产生方法”(CN201210087972.X)，都欠缺光子到达时间的长期高精度模拟。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种随机信号序列的模拟方法，适用于诸如脉冲星辐射X射线的随机信号序列，能模拟光子涨落信息和任意随机过程信号，迅速实现光子达到时间长期高精度模拟，以满足地面试验系统中脉冲星X射线光子到达时间模拟的应用需求。
[0006]为实现上述目的，本发明用于对未知分布特性的光子信号序列进行模拟的方法，其包括如下步骤:
[0007]步骤一、利用待模拟信号的光子流量函数，通过积分计算观测时间间隔内可能出现的光子数，记为mf ;根据光子流量函数推导出光子数分布函数FT(t)，FT(t)表示t时刻之前所出现的总光子数目；
[0008]步骤二、根据所述光子数分布函数FT(t)的分布满足均匀分布的特点，利用均匀分布函数生成随机数，从而得到光子数的随机数y，y=mf.ιι，u的取值服从U[0，1]的均匀分布；
[0009]步骤三、利用光子数涨落满足的均值为mf的随机分布，在观测时间段内取满足该随机分布的随机变量，作为观测时间段内探测到的光子的次数Nf ;
[0010]步骤四、重复步骤二 Nf次，从而得到Nf个光子数的随机数；
[0011]步骤五，利用光子数分布函数Ft(t)的反函数，对步骤四得到的Nf个随机数进行反函数变换，得到Nf个光子到达时间的随机数，并进行大小排序，得到光子达到时间随机序列。
[0012]有益效果:
[0013](I)本发明能够真实模拟脉冲星辐射X射线光子数涨落:
[0014]脉冲星辐射的X射线光子受到量子扰动、温度扰动等影响，航天器探测的X射线光子数存在涨落，这种涨落跟航天器的位置无关。本发明利用对观测时间内粒子数随机取值，以此模拟光子数的涨落。
[0015](2)本发明能够模拟任意随机过程的脉冲信号:
[0016]脉冲星辐射X射线的物理机制和宇宙介质对X射线光子影响等非常复杂，且不同脉冲星之间也存在差异，因此不能用理想的非齐次泊松过程来模拟所有脉冲星X射线光子到达时间。本发明能够取任意随机过程，从而实现任意脉冲星X射线辐射信号模拟。
[0017](3)本发明能够在短时间内对光子到达时间进行长期高精度模拟:
[0018]脉冲星导航的优势是实现长时间自主导航，因此需要在地面短时间内实现X射线脉冲星长时间自主导航关键技术的验证。本发明能短时间内迅速的生成大量的光子数据，以此保证脉冲星自主导航的长时间仿真验证。
[0019](4)本发明有扩展性强、实现简单和成本低等优点:
[0020]由于地面不能接收脉冲星辐射的X射线信号，因此飞行实验需要在大气层以外的地球卫星或空间站上进行，其实验花费巨大、技术难度高。而在地面用X射线源模拟脉冲星辐射信号，其投入大、脉冲时间精度低。本发明实现简单、成本相对低廉易于迅速搭建地面试验系统对导航算法能关键技术进行验证。而且本发明适用于各种未知分布特征信号的模拟，其扩展性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0022]本实施例以脉冲星X射线为模拟对象，结合附图对模拟原理和实现过程进行详细描述。
[0023]脉冲星X射线辐射的产生物理机制，及其在星际传播过程等非常复杂，因而实际探测到的脉冲星辐射的X射线光子数的分布比较复杂，用理想非齐次泊松过程来描述是存在缺陷的。而且对于不同的脉冲星其分布形式也存在差异，用单一的过程来描述是光子数分布也是不确切。本发明克服了光子数模拟过程与随机过程的相关性，采用流量函数的积分形式一累加函数作为光子数分布函数，利用该光子数分布函数满足均匀分布的特性，利用取均匀分布函数随机变量的方式产生累加函数的随机序列，即光子数的随机序列，且随机序列中的数据量也根据光子数涨落满足的随机分布进行取值，然后通过累加函数的反函数变换得到光子到达时间的序列，从而实现任意脉冲星X射线辐射信号模拟。[0024]步骤一，利用待模拟信号的光子流量函数，获取光子流量函数的分布函数作为航天器探测到脉冲星X射线信号的光子数的分布函数&(0，进而推导出该光子数分布函数的分布满足均匀分布。并且利用待模拟信号的光子流量函数，通过积分计算观测时间间隔内可能出现的光子数的理论数值mf。
[0025]航天器探测到脉冲星X射线信号可以用光子流量函数λ (t)来描述，其表示每秒钟的光子数，t为光子到达时间。因此在时间间隔Td内存在的可能的光子数为λ (t) Td,
在观测时间间隔Utl, tf)内所有的可能的光子出现的总数为《V二P ^(τ)?τ，该mf为理论数值。
[0026]不妨令
[0027]
【权利要求】
1.一种随机信号序列的模拟方法，用于对未知分布特性的光子信号序列进行模拟，其特征在于，该方法包括:步骤一、利用待模拟信号的光子流量函数，通过积分计算观测时间间隔内可能出现的光子数，记为％ ;根据所述光子流量函数推导出光子数分布函数FT(t)，FT(t)表示t时刻之前所出现的总光子数目；步骤二、根据所述光子数分布函数FT(t)的分布满足均匀分布的特点，利用均匀分布函数生成随机数，从而得到光子数的随机数y，y=mf.u，u的取值服从U[0，1]的均匀分布；步骤三、利用光子数涨落满足的均值为％的随机分布，在观测时间段内取满足该随机分布的随机变量，作为观测时间段内探测到的光子的次数Nf;步骤四、重复步骤二 Nf次，从而得到Nf个光子数的随机数；步骤五，利用光子数分布函数FT(t)的反函数，对步骤四得到的Nf个随机数进行反函数变换，得到Nf个光子到达时间的随机数，并进行大小排序，得到光子达到时间随机序列。
【文档编号】G01C21/02GK103644908SQ201310571175
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】贝晓敏, 黄良伟, 吴耀军, 张倩, 陈强, 陈绍龙, 帅平 申请人:中国空间技术研究院