[发明专利]一种高精度的X射线脉冲星信号模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度的X射线脉冲星信号模拟方法，属于信号模拟和信号处理领域。

背景技术

X射线脉冲星导航(XPNAV)是一种全新的自主导航方式，具有隐蔽性好、安全性高、抗干扰能力强，导航精度高等诸多优点，能够为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息，具有重要的工程应用价值和战略研究意义，备受国际航天机构关注。2004年，美国国防先进技术发展局启动的“X射线导航与自主定位”(XNAV)研究计划，开展脉冲星仿真方法研究和原理样机研制等工作，该计划目前已完成可行论证、关键技术攻关与地面验证，即将在国际空间站和高轨道卫星上开展空间飞行试验。由于X射线无法穿透稠密的大气层，地面实验室无法观测到X射线脉冲星的辐射信号，因此卫星搭载探测器对X射线脉冲星进行观测。然而搭载试验具有复杂度高，耗时长，技术难度大等缺点，不适用于X射线脉冲星导航系统的研究和算法的验证。因此，目前的研究工作主要采用地面模拟产生的X射线脉冲星信号。

目前涉及X射线脉冲信号模拟方法的文献主要有：(1)“一种基于随机单光子发射机制的X射线脉冲星信号模拟源”(专利号：CN103697908A)，(2)“多脉冲星信号模拟器”(申请号：200910023707.3)，(3)“一种脉冲星频率信号模拟器”(专利号：CN102759884A)，(4)“刘利,郑伟,汤国建,孙守明.基于X射线脉冲星的导航半实物仿真系统[J].国防科技大学学报.2012,34(5)”，(5)“孙海峰,谢楷,李小平等.高稳定度X射线脉冲星信号模拟[J].物理学报.2013(10):518-528”，(6)“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(11)”，(7)“Emadzadeh A,Speyer J L.On modeling and pulse phase estimation of X-ray pulsars.IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(9):4484–4495”，(8)“ZHANG Hua,XU Luping,SONG Shibin,Jiao Rong[J].Journal of Physics.98(2014)189–200.”，(9)“J.Sala,A.Urruela,X.Villares,R.Estalella,Feasibility Study for a Spacecraft Navigation System Relying On Pulsar Timing Information,European Space Agency Advanced Concepts Team ARIADNA Study,2004.”以上文献设计的脉冲星信号模拟系统或模拟方法都未考虑脉冲星自转频率存在缓慢变化的特点。只有文献“苏哲.X射线脉冲星导航信号处理方法和仿真实验系统研究[D].2011.”考虑到脉冲星自转频率存在变化的特点，然而文献中还是假设在小时间段内脉冲星的频率是不变的，未提出针对频率缓慢变化特性的有效模拟方法。

脉冲星自主导航时间跨度大，频率的微小误差也会导致TOA巨大的偏差，因此只有准确地模拟脉冲星的频率变化特性，才能为脉冲星导航系统的研制和导航算法的验证提供真实有效的脉冲星信号。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度的X射线脉冲星信号模拟方法，模拟产生的X射线脉冲星光子信号具有脉冲星自转频率缓慢变化的特性，能够用于构建高精度的脉冲星导航地面试验系统和脉冲星周期搜索、轮廓解算、TOA估计和长时间自主导航算法的验证。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度的X射线脉冲星信号模拟方法，步骤如下：

步骤S1：确定模拟的起始时刻t₀，模拟结束时刻t_f，记t_n为第n个脉冲星光子信号的到达太阳系质心SSB处的时间，令n的初始值为0；

步骤S2：根据脉冲星相位预测模型计算得到t_n时刻对应的脉冲星相位φ(t_n)；

步骤S3：由步骤S2得到的t_n时刻对应的脉冲星相位φ(t_n)，采用反函数法递推得到第n+1个脉冲星光子信号到达SSB处时对应的脉冲星相位φ(t_n+1)；