X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究

doi:10.7527/S1000-6893.2015.0164

电子与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究

吴亚平^1,2, 赵建军¹, 吴光敏¹, 高霞芳^1,2, 唐海峰^1,2

1. 昆明理工大学理学院, 昆明 650093;
2. 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119

收稿日期:2015-03-20 修回日期:2015-06-01 出版日期:2016-02-15 发布日期:2015-06-03
通讯作者: 赵建军,男,副教授。主要研究方向:X射线脉冲星导航。Tel:0871-65917864,E-mail:kmustdag@sina.cn E-mail:kmustdag@sina.cn
作者简介:吴亚平,男,硕士研究生。主要研究方向:X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积。Tel:0871-65916591,E-mail:jyzx@kmust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11103069,61007017)

Hardware epoch superposition of X-ray pulsar-based navigation

WU Yaping^1,2, ZHAO Jianjun¹, WU Guangmin¹, GAO Xiafang^1,2, TANG Haifeng^1,2

1. Faculty of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;
2. State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710119, China

Received:2015-03-20 Revised:2015-06-01 Online:2016-02-15 Published:2015-06-03
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11103069,61007017)

摘要/Abstract

摘要：

为了在X射线脉冲星地面实验系统仿真源模拟产生X射线的基础上,能够快速稳定地得到脉冲轮廓,采用硬件历元叠加的方法获得脉冲轮廓。研究了用硬件实现历元叠加及其数据整合的算法,该算法首先在MATLAB现场可编程逻辑阵列(FPGA)中实现,再通过MATLAB硬件描述语言(HDL)代码生成模块把算法转换成HDL,经编译后获得配置硬件的Bit文件,最终在开发板FPGA上实现数据处理的硬件模块。一段时间内的光子到达时间数据通过MATLAB算法得到的脉冲轮廓数据与通过硬件模块处理后得到的数据结果存在误差,在单个时间窗口内误差最大值为2个光子数,误差平均值占光子数统计平均值的0.084%;两组统计的脉冲轮廓数据中不同数据占总数据个数的9.481%,这样的误差不影响后端模拟导航模块的导航。利用硬件实现的历元叠加及其数据整合模块具有处理速度快、设备紧凑、功耗低的特点,为航天器利用X射线脉冲星导航提供了一种可行的硬件数据处理技术上的支持。

关键词: 脉冲星, 硬件处理, 现场可编程逻辑阵列(FPGA), 硬件设计, 信号源

Abstract:

Based on the X-rays pulsar-based source simulation produced by the ground experimental system, using the method of hardware epoch superposition, the pulse profile is obtained fast and stable. The algorithm of epoch superposition and data integration implemented by the field programmable gate arrays(FPGA) has been studied that is firstly achieved by using MATLAB then converted to hardware description language(HDL) by MATLAB HDL Coder. Secondly, the stream file of Bit can be obtained, configuring the hardware by the compiler. Finally, the hardware module can be practicable in the FPGA. The arrived time data of photons obtained by MATLAB algorithm has some errors with the data obtained after the treatment of the hardware modules; the maximum error is two photon numbers in the single time window, and the average error value accounts for 0.084% of the average statistic value; the different data accounts for 9.481% of the total number of data in the two sets of statistical pulse profile data. Such errors do not affect the navigation of the subsequent navigation module. The hardware implementation and data integration epoch superposition modules get high processing speed, compact device and low power consumption, which provides viable data processing hardware technical support for spacecraft navigation using X-ray pulsars.

Key words: pulsar, hardware processing, field programmable gate arrays(FPGA), hardware design, signal sources

中图分类号:

吴亚平, 赵建军, 吴光敏, 高霞芳, 唐海峰. X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究[J]. 航空学报, 2016, 37(2): 662-668.

WU Yaping, ZHAO Jianjun, WU Guangmin, GAO Xiafang, TANG Haifeng. Hardware epoch superposition of X-ray pulsar-based navigation[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2016, 37(2): 662-668.

参考文献

[1] 帅平, 陈绍龙, 吴一帆, 等. X射线脉冲星导航技术研究进展[J]. 空间科学学报, 2007, 27(2):169-176. SHUAI P, CHEN S L, WU Y F, et al. Navigation principles using X-ray pulsars[J]. Chinese Journal of Space Science, 2007, 27(2):169-176(in Chinese).
[2] 周庆勇, 姬剑锋, 任红飞. 非等间隔计时数据的X射线脉冲星周期快速搜索算法[J]. 物理学报, 2013, 62(1):019701-1-8. ZHOU Q Y, JI J F, REN H F. Quick search algorithm of X-ray pulsar period based on unevenly spaced timing data[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(1):019701-1-8(in Chinese).
[3] 李鹏飞, 徐国栋, 董立珉, 等. X射线脉冲星信号时延的实时估计方法[J]. 航空学报, 2014, 35(7):1966-1976. LI P F, XU G D, DONG L M, et al. Real-time estimation method of X-ray pulsar signal delay[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(7):1966-1976(in Chinese).
[4] 苏哲, 许录平, 王婷, 等. X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统研究[J]. 物理学报, 2011, 60(11):119701-1-8. SU Z, XU L P, WANG T, et al. X-ray pulsar navigation semi-physical simulation system research[J]. Acta Physica Sinica, 2011, 60(11):119701-1-8(in Chinese).
[5] 胡慧君, 赵宝升, 盛立志, 等. 基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统研究[J]. 物理学报, 2011, 60(2):029701-1-9. HU H J, ZHAO B S, SHENG L Z, et al. Ground simulation system X-ray pulsar-based navigation[J]. Acta Physica Sinica, 2011, 60(2):029701-1-9(in Chinese).
[6] 王洪, 刘昌忠, 汪学刚, 等. 一种多点定位的目标位置精确解算方法[J]. 航空学报, 2011, 32(7):1269-1274. WANG H, LIU C Z, WANG X G, et al. A multi-point the exact location of the target location solution method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(7):1269-1274(in Chinese).
[7] 杨廷高. X射线脉冲星脉冲到达航天器时间测量[J]. 空间科学学报, 2008, 28(4):330-334. YANG T G. X-ray pulsar pulse arrival time measurements of spacecraft[J]. Chinese Journal of Space Science, 2008, 28(4):330-334(in Chinese).
[8] 周峰, 吴光敏, 赵宝升, 等. 基于X射线脉冲星导航的模拟调制仿真源研究[J]. 物理学报, 2013, 62(11):119701-1-6. ZHOU F, WU G M, ZHAO B S, et al. X-ray pulsar navigation analog modulation source based on simulation[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(11):119701-1-6(in Chinese).
[9] 王朋, 赵宝升, 盛立志, 等. X射线脉冲星导航系统导航精度的研究[J]. 物理学报, 2012, 61(20):209702-1-7. WANG P, ZHAO B S, SHENG L Z, et al. Research X-ray pulsar navigation system navigation accuracy[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(20):209702-1-7(in Chinese).
[10] 宋林东. X射线脉冲星导航仿真系统硬件设计[D]. 西安:西安电子科技大学, 2010. SONG L D. X-ray pulsar navigation simulationsystem hardware design[D]. Xi'an:Xi'an University of Electronic Science and Technology, 2010(in Chinese).
[11] 朱恩亮. X射线脉冲星导航仿真系统软件设计[D]. 西安:西安电子科技大学, 2010. ZHU E L. X-ray pulsar navigation simulation system software design[D]. Xi'an:Xidian University, 2010(in Chinese).
[12] 刘石山, 赵建军, 岳奇. 基于双树复小波变换的X射线脉冲星信号处理[J]. 计算机技术与发展, 2014, 24(3):168-177. LIU S S, ZHAO J J, YUE Q. X-ray pulsar signal processing based on dual tree complex wavelet transform[J]. Computer Technology and Development, 2014, 24(3):168-177(in Chinese).
[13] 滕厚华. 基于共反射面元叠加技术的波场参数正演[D]. 北京:中国石油大学, 2008. TENG H H. Based on a total reflection surface stack technology wave field parameters forward[D]. Beijing:China University of Petroleum, 2008(in Chinese).
[14] 张慧娟. HDL Coder和HDL Verifier支持HDL代码生成和验证[J]. 电子技术设计, 2012, 19(5):20-21. ZHANG H J. HDL Coder and HDL verifier supports HDL Code generation and verification[J]. EDN China, 2012, 19(5):20-21(in Chinese).
[15] FLIR借助MATLAB的HDL代码自动生成技术加速热成像FPGA的开发[Z]. 电信科学, 2012(9):89. FLIR using MATLAB HDL code automatic generation technology to accelerate the development of thermal imaging FPGA[Z]. Telecommunications Science, 2012(9):89(in Chinese).
[16] 唐立梅, 陈莲娜. 利用HDL Coder完成红外探测器图像死点的替换[J]. 红外, 2012, 33(5):36-41. TANG L M, CHEN L N. Replace the use of infrared detectors HDL Coder complete picture of the dead[J]. Infrared, 2012, 33(5):36-41(in Chinese).
[17] 诸葛俊贵. 基于Matlab模糊控制器HDL代码的自动生成[J]. 电子科技, 2012, 25(1):42-44. ZHUGE J G. Matlab-based fuzzy controller automatically generate HDL code[J]. Electronic Technology, 2012, 25(1):42-44(in Chinese).
[18] 谭同超. 有限状态机及其应用[D]. 广州:华南理工大学, 2013. TAN T C. Finite state machine and its application[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2013(in Chinese).
[19] 杨京开, 邓培民, 易忠. 模糊有限状态机的一些性质[J]. 模糊系统与数学, 2010, 24(1):159-165. YANG J K, DENG P M, YI Z. Some properties of fuzzy finite state machine[J]. Fuzzy Systems and Mathematics, 2010, 24(1):159-165(in Chinese).
[20] 宋泽明, 陈文楷. 基于VHDL的有限状态机设计[J]. 北京工业大学学报, 2005, 31(1):21-24. SONG Z M, CHEN W K. VHDL-based finite state machine design[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2005, 31(1):21-24(in Chinese).

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究

Hardware epoch superposition of X-ray pulsar-based navigation

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526232-526232.
[2]	李变, 屈俐俐, 高玉平. J0613-0200驾驭铯钟的方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526500-526500.
[3]	徐国栋, 张丹蕾, 徐振东. 脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526185-526185.
[4]	张大鹏, 呼延宗泊, 李恒年. 基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526510-526510.
[5]	周庆勇, 闫林丽, 李连升, 冯来平, 石永强, 孙鹏飞, 方柳, 王龙. XPNAV⁃1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526610-526610.
[6]	童明雷, 韩孟纳, 杨廷高, 赵成仕, 朱幸芝. 利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526566-526566.
[7]	闫林丽, 葛明玉, 庹攸隶, 周庆勇, 叶文韬, 郑世界, 韩大炜. 5颗导航用X射线脉冲星计时分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526588-526588.
[8]	盛立志, 郑伟, 苏桐, 张大鹏, 王奕迪, 杨向辉, 徐能, 李治泽. “天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526656-526656.
[9]	赵成仕, 高玉平, 童明雷, 朱幸芝, 罗近涛. 导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526580-526580.
[10]	苏剑宇, 方海燕, 高敬敬, 赵良. X射线脉冲星导航的最优观测周期确定[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526597-526597.
[11]	印俊秋, 刘云鹏, 汤晓斌. 基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526596-526596.
[12]	姜坤, 焦文海, 郝晓龙, 刘莹, 王奕迪, 张新源, 国际. 脉冲星试验01星科学试验与成果[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526611-526611.
[13]	韩大炜, 郑世界, 庹攸隶, 葛明玉, 宋黎明, 李新乔, 文向阳, 熊少林. 利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526641-526641.
[14]	李保权, 李海涛, 曹阳, 桑鹏, 刘亚宁, 余道淳. 轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526671-526671.
[15]	左富昌, 梅志武, 邓楼楼, 周昊, 贝晓敏, 黎月明. 脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 527124-527124.