《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于脈沖星脈沖信號的航天器導(dǎo)航系統(tǒng)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
翟倩倩1,，唐海峰1，2,，馬 琨1
1.昆明理工大學(xué) 理學(xué)院,，云南 昆明650500；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所,，陜西 西安710119
摘要： 脈沖星是具有107—109T強磁場的快速自轉(zhuǎn)中子星,，會不斷地發(fā)出周期性電脈沖信號。通過識別脈沖輪廓可以實現(xiàn)航天器的定位和姿態(tài)調(diào)整,。將采集到的光子到達時刻的TDC數(shù)據(jù)通過USB傳送到上位機進行脈沖輪廓還原得到光子到達時間(TOA),。利用西安光學(xué)精密機械研究所的X射線地面模擬系統(tǒng)產(chǎn)生B0531星系進行測試，得到的脈沖輪廓與在NASA下載的B0531星數(shù)據(jù)的脈沖輪廓相似度達到95.38%,。
中圖分類號： TN967
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.016
中文引用格式： 翟倩倩,，唐海峰，馬琨. 基于脈沖星脈沖信號的航天器導(dǎo)航系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(9)：62-64，68.
英文引用格式： Zhai Qianqian,，Tang Haifeng,，Ma Kun. The research of spacecraft navigation system based on pulse signal from pulsars[J].Application of Electronic Technique，2016,，42(9)：62-64,，68.
The research of spacecraft navigation system based on pulse signal from pulsars
Zhai Qianqian1，Tang Haifeng1,，2,，Ma Kun1
1.Faculty of Science，Kunming University of Science and Technology,，Kunming 650500,，China； 2.Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,，Chinese Acadenny of Sciences,，Xi′an 710119，China
Abstract： Pulsars are neutron stars, with 107-109t magnetic field, rotating rapidly, and radiate electric pulse signal periodically. Aircraft positioning and attitude adjustment can be realized by identifying the pulse contour. In this paper, experiment collects TDC data from the X-ray ground simulation facility while the moment of photons reach, then puts TDC data to PC via USB to revert pulse profile. Finally, producing B0531-galaxies pulse signals by using the X-ray ground simulation system in Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, the similarity between the pulse profile data restored from experiment and downloaded from NASA is 95.38%.
Key words : X-ray pulsar navigation,；TDC,；TOA；rough time,；fine time,；pulse profile revert

0 引言

　　脈沖星導(dǎo)航是利用脈沖星穩(wěn)定的輻射周期特性，在太空中為星際空間飛行器提供位置,、速度和時間等導(dǎo)航信息,。這是一種新型的導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)階段美國,、俄羅斯和歐洲空間局正在研究脈沖星導(dǎo)航的新技術(shù)和新方法[1-5],。本文提出的X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)是基于中國科學(xué)院西安光機所X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)的實驗平臺完成的，圖1所示為X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)的整體框圖[6,，7],。

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圖1  X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)框圖

　　X射線脈沖星模擬光源相當(dāng)于一種特殊的信號發(fā)生器，模擬X射線脈沖星的物理特性,，如X射線輻射能譜,、能量、脈沖輪廓以及脈沖周期等,，為實驗提供模擬的X射線脈沖星,。X射線只能在真空中傳輸,，圖1所示的真空系統(tǒng)能為X射線光路提供10-5Pa的真空環(huán)境。脈沖星的傳播方向是四面八方的,，聚焦型（SSD）探測器則相當(dāng)于凸面鏡的作用把X射線脈沖星聚集起來增強X射線的強度,，然后再轉(zhuǎn)換成電子為后端電子學(xué)所用。

1 后端電子學(xué)設(shè)計及信號處理系統(tǒng)

　　經(jīng)過SSD探測器得到電子輸出后,，由于輸出信號微弱并不能被數(shù)字電路所識別,，所以必須經(jīng)過前置放大、增行后得到光子脈沖到達信號,，再把光子脈沖到達信號送入時間測量電路得到此刻脈沖到達的準確時刻,，最后通過USB把光子到達時刻送入上位機進行數(shù)據(jù)處理，使其知道采集到的是哪一顆脈沖星,。圖2所示為后端電子學(xué)的整體設(shè)計流程圖,。

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圖2  后端電子學(xué)設(shè)計流程圖

　　在SSD聚焦型探測器接收到的入射光很微弱時，探測器輸出信號為圖3(a)所示,，其中一個脈沖代表一個光子事件的發(fā)生,。當(dāng)入射光相對較強時，探測器輸出信號如圖3(b)所示,，將會出現(xiàn)脈沖堆積的現(xiàn)象,。

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(a)光輸入微弱        (b)光輸入較強

圖3  探測器輸出信號

　　根據(jù)實際測得的SSD聚焦型探測器的輸出電子脈沖(圖3(a)中)下降沿約為10 ns左右，上升沿約為400 ?滋s,。為了進行后端電路的設(shè)計,，采用前置放大將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號[7]。圖4所示即為經(jīng)過前置放大后的電信號輸出,。

　　前置放大后的電信號由圖4可以觀察到存在較長的拖尾,，需要對放大輸出信號進行整形[8，9],。整形的主要功能為：提高光子到達的精度,，整形能將輸出的單光子脈沖整形成上升時間相同的脈沖信號；提高分辨率,，主放對輸出電信號進行濾波,，濾除高頻和低頻噪聲，提高信噪比,；提高計數(shù)率,，整形能將脈沖寬度變小，從而提高計數(shù)率,。圖5所示為經(jīng)過整形后的電信號輸出,，其單光子脈沖的寬度為4 ?滋s的準高斯脈沖。在脈沖高度到達一定的閾值時則表示采集到一個光子事件,，在脈沖高度未達到閾值高度時則表示未采集到光子事件,。當(dāng)采集到一個光子事件時則輸入到后端的時間測量電路,。

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圖4  經(jīng)過前置放大后的電信號輸出

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圖5  整形后的電信號輸出

2 時間測量電路的設(shè)計

　　時間測量電路是整個脈沖星導(dǎo)航的關(guān)鍵部分，當(dāng)接收到一次光子脈沖到達信號時,，采集此時刻的光子脈沖到達時間[10,，11]。光子脈沖到達時間分為粗時間和細時間,。本設(shè)計采用Xilinx公司Virtex LX50T進行設(shè)計,，粗時間即為秒時間及其秒時間以上的時間信號,，細時間為一秒以下的時間,。細時間又是整個時間測量電路的最重要部分，圖6所示為細時間設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖,。

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圖6  細時間設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 格雷碼設(shè)計

　　該時間測量電路設(shè)計的主頻是200 MHz,，即時鐘周期為5 ns。首先要利用5 ns周期計數(shù)計數(shù)到1 s,，在FPGA計數(shù)中往往有二進制計數(shù)和格雷碼計數(shù)兩種,，這里采用格雷碼計數(shù)。格雷碼計數(shù)每計數(shù)一次只有一位進行變化,，所產(chǎn)生的負載小,，并且利用格雷碼計數(shù)會大大減小數(shù)字電路的毛刺現(xiàn)象。

　　2.2 IODELAY設(shè)計

　　在細時間設(shè)計中分為兩個時間段,，第一個是5 ns～1 s的時間段,，第二個是1 ns～5 ns的時間段。在FPGA設(shè)計中無法利用程序語言實現(xiàn)倍頻,，通常是直接利用官方的IP核,。IP核直接產(chǎn)生所需要的頻率，無法實現(xiàn)計數(shù)的功能,，而且時間測量電路的時間精度為1 ns,，這樣至少需要產(chǎn)生4個不同的頻率，從而增大了FPGA的面積,，影響了速度,。在航空導(dǎo)航中盡可能提高FPGA速率很有必要，這里采用Xilinx官方提供的IODELAY原語進行設(shè)計[12],。IODELAY原語是具有64個tap的環(huán)繞延遲單元,，每個抽頭的延遲都是經(jīng)過精密校準的78 ps，延遲時間較穩(wěn)定,。圖7所示為IODELAY原語的RTL視圖,。本設(shè)計依次設(shè)計IODELAY原語中IODELAY的類型為FIXED，反饋時鐘頻率為200 MHz,，IODELAY_TYPE參數(shù)為0,、13,、26、38,、51實現(xiàn)1 ns～5 ns的計數(shù),。

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圖7  IODELAY原語RTL視圖

　　2.3 數(shù)據(jù)整合

　　從5 ns計數(shù)到1 s需要28 bit才能完成，因此細時間的第一段時間數(shù)據(jù)位數(shù)為28,。利用IODELAY實現(xiàn)0～5 ns的計數(shù),，其中精度為1 ns，需要3 bit完成IODELAY的計數(shù),。最后將粗時間和細時間直接整合得到48 bit的TDC數(shù)據(jù),。得到該數(shù)據(jù)后通過USB將其48 bit有效數(shù)據(jù)送到上位機。為了方便檢測數(shù)據(jù)的完整性,，在有效數(shù)據(jù)前面添加255,，0的頭。圖8所示為整合后的一幀TDC數(shù)據(jù),，255,，0為幀頭，后面48 bit數(shù)據(jù)為TDC的傳輸數(shù)據(jù),。

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圖8  TDC的數(shù)據(jù)傳輸格式

3 USB傳輸設(shè)計

　　USB芯片是采用Cypress公司的CY7C68013A完成FPGA與上位機之間的通信,。CY68013A內(nèi)部集成工業(yè)標準的8051處理器，全USB吞吐量,，基于RAM的架構(gòu)設(shè)計允許無限制的配置和升級,，自動處理USB協(xié)議大大減少了代碼的復(fù)雜度。該芯片具有4片F(xiàn)IFO進行讀寫操作,，只需要將TDC數(shù)據(jù)從FPGA送入到上位機,，所以只需要對FIFO進行寫操作即可。在這里選擇第二片F(xiàn)IFO進行操作,，并設(shè)置USB的傳輸模式為Slave FIFO,。圖9所示為FPGA設(shè)計USB接口的狀態(tài)機，該狀態(tài)機是直接由Syplify Pro軟件直接模擬生成的,。

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圖9  USB接口設(shè)計狀態(tài)機圖

　　當(dāng)檢測到EP2非滿,，IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到WADDR_SET狀態(tài)設(shè)置FIFO的地址；然后直接跳轉(zhuǎn)到SLWR_LOW狀態(tài)設(shè)置USB的SLWR接口,，表示開始向FIFO寫,；完成SLWR設(shè)定后跳轉(zhuǎn)到DATA_WRITE狀態(tài)，此狀態(tài)是把TDC的數(shù)據(jù)放置到USB的數(shù)據(jù)總線上,；完成數(shù)據(jù)放置后跳轉(zhuǎn)到SLWR_HIGH狀態(tài),，表示USB開始進行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后跳轉(zhuǎn)到WR_HALT狀態(tài)掛起；如果不需要再進行傳輸則跳轉(zhuǎn)會IDLE狀態(tài),，否則一直處于WR_HALT自掛起狀態(tài),。完成了USB的FPGA接口設(shè)計后，把TDC的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)缴衔粰C,，圖10所示為上位機接收到的數(shù)據(jù),。TDC的數(shù)據(jù)是58 bit，USB是8 bit進行傳輸?shù)?，這里將對TDC的數(shù)據(jù)進行增加一定位數(shù)后傳輸：time_tdc[63:0]={8'd255,8'd0,tdc_time[45:30],2'd0,tdc_time[29:0]},。此時將把64 bit的time_tdc通過USB傳輸，這樣將傳輸8次,。將一次傳輸64 bit的time_tdc作為一幀數(shù)據(jù),，255,0為這一幀數(shù)據(jù)的頭，后面48 bit數(shù)據(jù)為TDC的有效傳輸數(shù)據(jù),。

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圖10  上位機接收到的TDC數(shù)據(jù)

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圖11  單位為納秒的TDC數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)處理及脈沖輪廓還原

　　通過USB得到TDC的數(shù)據(jù)后首先要對數(shù)據(jù)進行編碼,，以圖10的255,0,2,142,23,288,195,142為例,。首先要將這一幀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單位為ns的數(shù)據(jù),，即Data=（2*256+142）*109+23*2563+228*2562+195*256+142。這部分處理是在MATLAB軟件中進行轉(zhuǎn)換的,，圖11所示為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為納秒為單位后的結(jié)果,。

　　在得到圖10所示的TDC數(shù)據(jù)后就可以利用歷元疊加還原脈沖輪廓。首先將脈沖周期分成m等份,，每等份為一個BIN（時間倉）,，BIN的大小為：?駐?子=T/m。Tp為光子到達時間數(shù)據(jù),，則光子到達時間,、脈沖周期及光子的相位關(guān)系可以表示為：

　　QQ圖片20161111154900.png

　　每個光子對應(yīng)的相位?子n的計算可以表示如下：

　　QQ圖片20161111154903.png

　　其中Txn表示第n個光子到達時間的細時間部分，根據(jù)式(1),、式(2)可以得到每個光子對應(yīng)的相位?子n,，將脈沖周期分成m等份，每一個等份為一個BIN,，同時對應(yīng)一個地址,，地址范圍可以表示為0～(m-1)，則BIN的地址可以表示為：

　　QQ圖片20161111154907.png

　　所有的光子按其在單一脈沖中的相位值進行對齊后累加,，各子相位區(qū)間的單脈沖事件的直方圖就構(gòu)成了脈沖星的累積脈沖輪廓,。圖12所示為歷元疊加后的波形，其中線①為從NASA下載的B0531標準數(shù)據(jù),，線②為TDC產(chǎn)生的數(shù)據(jù),，兩者的相似度達到95.38%。

5 總結(jié)

　　本文設(shè)計了X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間測量電路并得到脈沖到達時間,。利用中國科學(xué)院西安光機所的X射線地面模擬系統(tǒng)對時間測量電路進行了測試,，所得到的TDC數(shù)據(jù)與NASA下載的B0531的數(shù)據(jù)還原的脈沖輪廓相似度達到95.38%,。達到了X射線脈沖星導(dǎo)航的精度要求，對在真實太空中實現(xiàn)脈沖導(dǎo)航起到了一定的參考作用,。

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