本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种x射线脉冲星导航地面验证系统，可用于对在光子级别上的x射线脉冲星导航算法的验证，为脉冲星导航相关理论研究提供实验平台。
背景技术：
x射线脉冲星自主导航是一种具有发展前景的完全自主导航方法，具有重要战略研究意义，受到国内外学者们的关注。自1999年起，世界各航天大国纷纷启动x射线脉冲星导航相关理论研究、飞行实验验证等工作。欧空局、俄罗斯以及日本等国家和组织开展了大量的原理样机验证以及飞行实验等工作。2017年美国nasa开展了一个stationexplorerforx-raytimingandnavigationtechnology的实验。国内同样开展了x射线脉冲星导航相关研究工作，尤其在理论和地面验证系统的研究方面取得了丰硕的成果。
但是，由于脉冲星距离地球非常遥远，所以x射线脉冲星信号衰减极为严重，到达探测器的信号非常微弱，使得x射线脉冲星信号观测较为困难，并且x射线无法穿透地球大气层；空间飞行试验成本昂贵、风险较大，在地面建立一套x射线脉冲星导航算法实时验证系统显得尤为重要。
根据已公开的专利申请，近年来，国内的地面模拟系统主要有以下几种：
1.一种用x射线脉冲星导航的地面模拟方法与装置，授权公告号：cn101782390b，该装置使用了x射线源进行试验，在x射线探测器技术研究方面具有优势，但由于机械结构的引入，导致了脉冲星周期特性的模拟精度较低，不能满足理论研究的需求。
2.具有高时频稳定度x射线脉冲星光子信号地面模拟系统，专利申请公布号：cn102778236a，该系统保留了模拟的物理过程，模拟可信度高，且具有非常高的时频稳定度与精度，但存在的缺点是：无法模拟具有多物理特性的脉冲星信号，包括脉冲星自转特性、脉冲星计时噪声特性以及由航天器运动产生的多普勒效应。
3.x射线脉冲星导航地面试验系统，申请公布号：cn103048000a，该试验系统是x射线脉冲信号模拟和导航算法验证的闭环测试系统，考虑了实际空间中的多种因素影响，但是系统的控制结构和操作复杂，规模庞大，不利于在实验室中灵活使用。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于可见光源的x射线脉冲星导航地面验证系统，以简化系统的结构，提高脉冲星周期特性的模拟精度，实现对多路脉冲星信号的模拟。
为实现上述目的，本发明基于可见光源的x射线脉冲星导航地面验证系统，包括：
轮廓数据生成单元、光子产生单元和电子学读出单元，其特征在于：
轮廓数据生成单元与电子学读出单元之间连接有导航验证单元，用于向轮廓数据生成单元发送控制命令并传输数据，并接收电子学读出单元发送的光子到达时间序列，存储导航数据；
轮廓数据生成单元与电子学读出单元之间连接有多路电压信号输出单元，用于将轮廓数据生成单元发送的脉冲星轮廓数值序列同时转换成多路电压信号，并给电子学读出单元提供同步时钟信号；
光子产生单元，采用多路单光子产生器，且连接在多路电压信号输出单元与电子学读出单元之间，用于将多路电压信号输出单元输出的多路电压信号转换成多路光信号，并衰减成多路单光子序列，再将多路单光子序列转换成多路电脉冲信号，传输至电子学读出单元。
进一步，所述多路电压信号输出单元设有一个输入端和两个输出端，输入端与轮廓数据生成单元的输出端单向连接；第一输出端输出多路电压信号，与光子产生单元的输入端单向连接；第二输出端输出同步时钟信号，与电子学读出单元的输入端单向连接。
进一步，所述导航验证单元包括：
展示层，用于设置导航参数，实时展示导航结果，实现人机交互；
业务逻辑层，用于分别与轮廓数据生成单元和电子学读出单元进行数据传输，并分析计算数据；
数据访问层，用于对业务逻辑层与数据层之间的数据进行传输；
数据层，用于存储脉冲星参数、用户设置参数和系统运行时的中间数据。
本发明与现有的脉冲星导航地面验证系统相比，具有以下优点：
1.本发明由于在轮廓数据生成单元与电子学读出单元之间连接有导航验证单元，导航验证单元发出控制命令可直接由轮廓数据生成单元接收，并且轮廓数据生成单元可以直接读取导航验证单元中的数据，简化了控制逻辑。
2.本发明由于在轮廓数据生成单元与电子学读出单元之间连接有多路电压信号输出单元，保留了轮廓数据生成单元产生的信号的多物理特性并提高信号的周期稳定度。
3.本发明由于设置了多路电压信号输出单元与光子产生单元的单向连接方式，光子产生单元使用可见光源，简化了系统结构；且能同时模拟多路脉冲星信号，能支持多种导航算法的验证。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明中的轮廓数据生成单元结构示意图；
图3是本发明中的导航验证单元结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的解释说明；
参照图1，本发明包括：轮廓数据生成单元1、多路电压信号输出单元2、光子产生单元3、电子学读出单元4、导航验证单元5，其中：所述光子产生单元3由多路光子产生器和光学屏蔽腔组成，其每一路均包括电控线性光源，光衰减器，并置于光学屏蔽腔内；多路光子产生器的输入端包含四路但不局限于四路接口，输出端包含四路但不局限于四路接口，该输入端接口的路数与其输出端接口的路数相等。
所述轮廓数据生成单元1通过但不限于pci-e接口与多路电压信号输出单元2单向连接，该多路电压信号输出单元2设有一个输入端和两个输出端，其输入端接口采用但不局限于pci-e，输出端接口采用导线连接端子，输入端通过pci-e接口连接线与轮廓数据生成单元1的输出端单向连接；其第一输出端输出多路电压信号，分别通过屏蔽导线与多路光子产生器的输入端接口单向连接，本实例取四路但不局限于四路；其第二输出端输出同步时钟信号，通过屏蔽导线与电子学读出单元4的输入端单向连接；
所述光子产生单元3通过屏蔽导线连接在多路电压信号输出单元2与电子学读出单元4之间；该电子学读出单元4设有两个输入端和一个输出端，输入端接口采用导线连接端子，输出端接口采用但不局限于rs232接口，其第一输入端包含多路接口，分别通过屏蔽导线与多路光子产生器的多路输出端接口单向连接，本实例取四路但不局限于四路；其第二输入端通过屏蔽导线与多路电压信号输出单元2的第二输出端单向连接；其输出端向导航验证单元5发送光子到达时间序列，通过rs232接口连接线与导航验证单元5的输入端单向连接；导航验证单元5与轮廓数据生成单元1通过以太网接口实现双向连接。
轮廓数据生成单元1接收导航验证单元5发送的控制命令，并从导航验证单元5中读取航天器轨道数据，然后生成轮廓数据并传输至多路电压信号输出单元2，多路电压信号输出单元2的第一输出端输出多路电压信号，驱动光子产生单元3中多路光子产生器的电控线性光源产生多路可见光，经过光衰减器衰减成多路单光子序列，再由光电倍增管将多路单光子序列转换成多路电脉冲信号，传输至电子学读出单元4，多路电压信号输出单元2的第二输出端输出同步时钟信号，给电子学读出单元4提供时钟，电子学读出单元4对电脉冲信号进行时间标定，获得光子到达时间序列，并将光子到达时间序列传输至导航验证单元5，导航验证单元5调用用户编写的导航算法，并对光子到达时间序列进行时间校正，直到导航验证单元5向轮廓数据生成单元1发送终止命令，系统停止。
参照图2，所述轮廓数据生成单元1，包括主从系统通信接口11、光子速率函数计算模块12、多模式信号合成模块13、多路信号传输控制模块14和仿真显示模块15，其中：
主从系统通信接口11，采用但不局限于以太网接口，用于接收导航验证单元5发送的控制命令，并向其发送请求命令进行数据传输；
光子速率函数计算模块12，采用但不局限于c++语言编写，用于实时地以固定时间间隔计算多路航天器处光子速率函数的值，获得多路光子速率函数的数值序列，并将多路光子速率函数的数值序列传输到多模式信号合成模块13中；
多模式信号合成模块13，采用但不局限于c#语言编写，用于通过三种模式将多路光子速率函数的数值序列合成数据包；第一种模式是将多路光子速率函数的数值序列分别合成各自的数据包，第二种模式是将多路光子速率函数的数值序列合成一个数据包，第三种模式是将多路光子速率函数的数值序列相加后合成一个数据包；
多路信号传输控制模块14，采用但不局限于c#语言编写，用于获取多模式信号合成模块13合成的数据包，并连续且实时地传输到所述多路电压信号输出单元2；
仿真显示模块15，采用但不局限于c#和wpf语言编写，用于获取主从系统通信接口11接收的数据和多模式信号合成模块13合成的数据包，实时显示仿真时间、脉冲星信号的波形、频率参数和位置参数。
参照图3，所述导航验证单元5，包括展示层51、业务逻辑层52、数据访问层53、数据层54，其中：
展示层51，采用但不局限于c#和wpf语言编写，用于设置导航参数，实时展示导航结果，实现人机交互，它包括设置界面511、虚拟场景界面512、导航工程界面513和导航结果展示界面514，其中：
设置界面511，采用但不局限于c#和wpf语言编写，用于向数据层54添加脉冲星参数，并设置整个系统的参数，其中脉冲星参数包括编号、流量、频率参数、参考历元时间区间、参考历元、轮廓、赤经和赤纬，其中系统的参数包括系统实时时间、导航验证单元5与电子学读出单元4之间数据传输速率、导航验证单元5与轮廓数据生成单元1之间数据传输速率；
虚拟场景界面512，采用但不局限于opengl图形开发软件包，用于显示三维虚拟导航场景和导航结果数据；
导航工程界面513，采用但不局限于c#和wpf语言编写，用于设置导航参数包括航天器轨道文件、航天器初始误差、观测时间长度、脉冲星信号仿真模式和导航算法文件存储路径，其中航天器轨道文件采用txt格式文本文件，航天器轨道文件中的航天器的位置和速度是在j2000.0地心坐标系下描述的，导航算法文件是基于matlab编写的脚本文件；
导航结果展示界面514，采用但不局限于c#和wpf语言编写，用于展示导航结果，并从时间收敛性和收敛速度上对导航结果进行评估；
业务逻辑层52，采用但不局限于c#和c++语言编写，用于分别与轮廓数据生成单元1和电子学读出单元4进行数据传输，并分析计算数据，它包括动态链接库521、显示模块522、文件管理523、时间序列传输接口524和主从系统通信接口525，其中：
动态链接库521，采用c++语言编写，用于提供运算程序，包括：行星星历搜索、脉冲星可见性分析、脉冲星优选、轨道生成、时间尺度转换、时间校正、时间延迟估计和模拟航天器处光子到达时间的序列；
验证模块522，采用但不局限于c#语言编写，用于通过数据访问层53提供的程序接口访问数据层54，并调用动态链接库521中的运算程序，运算结果保存在导航结果545；
文件管理523，采用但不局限于c#语言编写，用于管理导航初始参数文件、导航算法文件、光子达到时间序列文件、航天器轨道文件和系统运行错误信息文件，其中导航初始参数文件保存模拟时间起点、模拟时间长度、观测时间长度、观测脉冲星的参数和航天器的初始误差；
时间序列传输接口524，采用但不局限于rs232接口，用于连接电子学读出单元4的输出端；
主从系统通信接口525，采用但不局限于以太网接口，用于连接轮廓数据生成单元1的输入端；
数据访问层53，采用但不局限于c#语言编写，用于对业务逻辑层52与数据层54之间的数据进行传输，它包括数据库表单操作531和文件读写532，其中：
数据库表单操作531，用于给业务逻辑层52提供访问数据层54中的数据库程序接口，包括：数据查找程序接口、数据插入程序接口和数据删除程序接口；
文件读写532，用于给业务逻辑层52提供访问数据层54中文件的程序接口，包括：文件读写程序接口、文件创建程序接口和文件删除程序接口；
数据层54，采用但不局限于sqlserver数据库和txt格式文本文件，用于存储脉冲星参数、用户设置参数和系统运行时的中间数据，它包括航天器相关参数库541、脉冲星库542、光子序列543、导航算法544和导航结果545，其中：
航天器相关参数库541，用于存储航天器轨道信息，包括航天器的轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角度和指定历元的平近点角，以及航天器在j2000.0地心坐标系下的位置、速度和对应的时间；
脉冲星库542，用于存储脉冲星优选表和脉冲星参数，脉冲星参数包括：编号、流量、频率参数、参考历元时间区间、参考历元、轮廓、赤经和赤纬，其中脉冲星优选表是依据不同脉冲星组合的几何精度因子的大小而建立的，轮廓用1024个数值表示，赤经和赤纬在j2000.0太阳系质心天球坐标系下表示；
光子序列543，用于存储电子学读出单元4传输的光子到达时间序列，以xlse格式表格文件存储；
导航算法544，用于保存用户加载的导航算法文件，导航算法文件是基于matlab编写的m格式脚本文件；
导航结果545，用于存储导航结果，以txt格式文本文件存储。
以上实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。