一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于脉冲星导航地面演示验证半物理仿真领域，涉及一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法。
【背景技术】
[0002]X射线脉冲星是一类自转周期非常稳定的中子星，能够发射具有高度稳定周期的X射线脉冲信号，是理想的导航天体源。航天器上的脉冲到达时间观测量反映了航天器相对于太阳系质心的位置矢量在脉冲星视线矢量上的投影，可用于确定航天器的位置和速度，实现航天器的自主导航。在X射线脉冲星导航敏感器实际应用之前，需要在地面对其关键技术进行验证。然而脉冲星辐射信号由于被地球大气所吸收，难于穿过地球稠密的大气层，因而需要建立X射线脉冲星模拟器，与X射线脉冲导航敏感器组成地面演示验证系统，以达到对脉冲星导航可行性、系统特性及导航精度等验证的目的。
[0003]目前，国内对于X射线脉冲星导航地面试验系统已经开展了一些研宄，例如，“X射线脉冲星导航半实物仿真系统”(201010022035.7)、“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置”(201010140837.8)、“一种X射线脉冲星探测器等效器的航天器导航系统” (201010623896.0)、“X射线脉冲星导航地面试验系统” (201010592693.9)等，但这些系统对于X射线脉冲星自主导航的地面模拟验证的真实性和可靠性有待进一步改进。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统及其方法，该系统采用脉冲星模拟器实现高时频稳定度X射线脉冲星光子信号模拟，并通过主控计算机周期性发送轨道参数到脉冲星模拟器，实现X射线脉冲星波形轮廓的动态模拟，并可以通过脉冲星标号进行不同的X脉冲星切换。
[0005]本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
[0006]一种脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统，包括统一授时子系统、脉冲星导航敏感器子系统、星载计算机导航控制子系统和主控与可视化演示子系统，所述脉冲星导航敏感器子系统包括脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，所述星载计算机导航控制子系统包括星载计算机和遥控遥测模拟计算机；所述主控与可视化演示子系统包括主控计算机和显不丰旲块；
[0007]统一授时子系统:输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器；
[0008]脉冲星模拟器:接收主控计算机发送的信息数据和统一授时子系统发送的时钟信号，其中，所述信息数据包括脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，然后利用所述脉冲轮廓相位差与标准脉冲星波形轮廓计算生成模拟脉冲星波形轮廓，并产生对应的模拟电压值，再按照所述模拟电压值控制输出X射线，并对所述X射线进行准直处理，输出X射线平行光到脉冲星导航敏感器；
[0009]脉冲星导航敏感器:接收统一授时子系统输出的时钟信号、脉冲星模拟器输出的X射线平行光和星载计算机发送的导航处理结果；对所述的X射线平行光进行光电转换，得到所述X射线平行光对应的电信号；以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机；
[0010]星载计算机:接收遥控遥测模拟计算机发送的控制指令，根据所述控制指令的内容进行相应操作，并将所述操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果发送到遥控遥测模拟计算机；接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，以及脉冲星导航敏感器输出的TDOA值，并利用所述脉冲标号对应的脉冲星参数、所述模拟轨道参数、时间历元和TDOA值进行脉冲星导航解算，并将得到得导航处理结果发送到主控计算机和脉冲星导航敏感器；
[0011]遥控遥测模拟计算机:发送外部输入的控制指令到星载计算机，并接收星载计算机发送的操作结果、星载计算机状态参数和导航处理结果；
[0012]主控计算机:发送设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元到脉冲星模拟器和星载计算机；接收星载计算机发送的导航处理结果，与设定的模拟轨道参数进行比较，得到导航处理误差；发送所述导航处理结果和导航处理误差到显示模块；
[0013]显示模块:接收主控计算机发送的导航处理结果和导航处理误差，进行显示。
[0014]在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星模拟器包括脉冲星模拟器控制计算机、信号发生器、X射线源和准直器，脉冲星导航敏感器包括镜头及前置放大器和线路盒，其中:
[0015]在脉冲星模拟器中:脉冲星模拟器控制计算机接收主控计算机发送的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元，首先根据所述模拟轨道参数和时间历元反算得到脉冲轮廓相位差，根据脉冲星标号加载已设定的标准脉冲星波形轮廓，，并利用所述相位差值和标准脉冲星波形轮廓控制信号发生器产生模拟脉冲波形轮廓；信号发生器接收统一授时子系统发送的时钟信号，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述模拟脉冲波形轮廓产生对应的模拟电压值，并输出所述模拟电压值到X射线源；X射线源将信号发生器输出的模拟电压值作为控制信号，输出X射线；准直器对X射线源输出的X射线进行准直处理，输出X射线平行光到镜头及前置放大器；
[0016]在脉冲星导航敏感器中:镜头及前置放大器接收X射线平行光，进行光电转换，并采用低噪放对所述电信号进行功率放大，输出功放处理后的电信号到线路盒；线路盒接收统一授时子系统输出的时钟信号和星载计算机发送的导航处理结果，以所述时钟信号作为时间基准，根据所述导航处理结果对电信号进行处理，得到光子到达脉冲星导航敏感器的时间，然后将所述到达时间转换得到光子到达太阳系质心的时间，即TOA值，按照所述TOA值对接收到的光子进行周期折叠，得到观测脉冲星波形轮廓，并将所述观测脉冲星波形轮廓与设定的标准脉冲星波形轮廓进行比对，得到脉冲星导航敏感器观测到的脉冲与模型预测得到的脉冲到达太阳系质心的时间差，即TDOA值；然后输出所述TDOA值到星载计算机。
[0017]在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星导航敏感器、X射线源和准直器放置在真空罐中，即生成X射线、准直处理、传输X射线平行光和生成脉冲星波形轮廓均在真空环境中实现。
[0018]在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到显示模块，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到显示模块，显示模块对脉冲星轮廓与标准脉冲星波形轮廓进行显示和比较。
[0019]在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，显示模块包括示波器和敏感器地检计算机，其中，脉冲星模拟器将标准脉冲星波形轮廓发送到示波器进行显示，脉冲星导航敏感器输出脉冲星波形轮廓到敏感器地检计算机进行显示。
[0020]在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，星载计算机导航控制子系统还包括监控与调试计算机，其中，在对星载计算机进行软件更新时，所述监控与调试计算机上传星载计算机的实时操作系统和应用软件，并对所述软件的运行进行监控和调试。
[0021 ] 在上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中，所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统中的脉冲星导航敏感器和星载计算机采用星上真实产品。
[0022]基于上述的脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行仿真验证的方法，包括如下步骤:
[0023](I)、对所述脉冲星天文自主导航仿真演示验证系统进行初始化，具体处理过程如下:
[0024](Ia)、统一授时子系统输出时钟信号到脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器，对脉冲星模拟器和脉冲星导航敏感器进行时钟对准；
[0025](Ib)、主控计算机发送初始数据到脉冲星模拟器和星载计算机，其中，所述初始数据包括初始设定的脉冲星标号、模拟轨道参数和时间历元；
[0026](Ic)、星载计算机转发所述初始数据到导航敏感器；脉冲星模拟器根据