光子TOA与自转频率误差对Crab脉冲星脉冲TOA估计的影响

为量化分析Crab脉冲星X射线波段光子到达时间（TOA）测量误差和自转频率误差对脉冲TOA估计的影响，仿真生成了13 200组带有不同光子TOA测量误差的光子TOA数据。采用含有不同大小自转频率误差的Crab脉冲星星历，通过历元折叠建立积分脉冲轮廓，与标准脉冲轮廓作互相关运算获得各组仿真观测的脉冲TOA测量误差，进一步计算出各误差参数组的仿真观测脉冲TOA测量误差均方根（RMS）。仿真结果表明，为使Crab脉冲星脉冲TOA短期测量精度达到30 ~300 μs量级的要求，有效面积为6 000 cm2和30 cm2的探测器脉冲星自转频率误差均应小于3×10-6 Hz，30 cm2的探测器光子TOA的偶然误差同时应控制在500 μs以内。     

X射线脉冲星导航方法研究综述

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景意义进行了简要介绍。其次,介绍了X射线脉冲星导航2个方面的关键技术：面向导航的脉冲星数据处理技术以及脉冲星导航理论的研究进展。再次,总结了现有的以及未来可能的X射线脉冲星导航应用体制。最后,展望了X射线脉冲星导航技术的发展趋势,并对全文进行了总结。     

X射线脉冲星星表方位误差估计算法研究

星表方位误差是影响脉冲星导航精度的一项主要因素,也是天文研究的一项重要内容。本文提出一种基于卫星导航数据,采用卡尔曼滤波器对X射线脉冲星星表方位误差估计的方法。仿真结果表明,在不考虑其他误差因素下,该方法可以较好地估计出X射线脉冲星的星表方位误差,改善星表精度,随着人类对宇宙空间认识的加深,本文研究结果对未来基于X射线脉冲星的自主导航和天文观测研究具有一定的潜在理论参考价值。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统

脉冲星导航为未来深空探测与导航提供一种可能途径，采用X射线强度关联方法对脉冲星角位置进行高精度测量，可适应高精度时空基准系统构建的发展需求，从理论上提高导航精度。X射线聚焦光学系统是脉冲星高精度测量与探测设备的核心部件，通过高效率聚焦实现对脉冲星极弱X射线光子流量的增强。首先，针对脉冲星角位置强度关联测量地面试验需求，开展了多层嵌套X射线聚焦光学系统的光学设计与性能分析，获得了设计参数对有效面积和角分辨率的影响关系，确定了反射镜几何参数与反射面材料；其次，确定了聚焦光学系统的总体制造误差标准，对高频误差和中低频误差分别进行了分配；然后，采用电铸镍复制工艺加工了超光滑芯轴与反射镜，测试了芯轴的粗糙度和面形误差，利用北京同步辐射光源测试了反射镜的反射率；最后，搭建了原位精密装调装置，完成了多层嵌套反射镜精密装调，实测角分辨率达到12.16″。经强度关联测量试验验证，聚焦光学系统显著提高了探测器接收的光子个数，满足脉冲星角位置强度关联测量的要求。     

“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证

X射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的X射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为99.5%、99.1%；开展了200 km轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到SSB(Solar System Barycenter)处的轮廓相似度分别为99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩50%，轮廓相似度为99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不...     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力，并提高其自主性，利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中，利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓，可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR)，从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差，分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响，基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^-11量级频率偏差的星载钟，1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据，预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。     

X射线脉冲星信号时延的实时估计方法

针对在频域内计算X射线脉冲星信号延时量存在滞后性,进而难以为航天器自主导航提供实时信息的问题,提出将脉冲星信号延时估计转化为时域内标量估计的方法。首先,通过人工神经智能网络获得脉冲星信号的标准轮廓函数作为状态方程;应用粒子滤波算法对脉冲星信号延时量进行实时估计;其次,为了避免标准粒子滤波器中的粒子退化现象,推导并证明了一种新型粒子滤波算法;最后,推导出粒子滤波算法的精度函数,为航天器的导航策略提供参考。以航天器在轨运行中可能遇到的3种情况为背景,验证了所提粒子滤波算法的正确性与有效性。     

Online INS/GPS integration with a radial basis function neural network

Most of the present navigation systems rely on Kalman filtering to fuse data from global positioning system (GPS) and the inertial navigation system (INS). In general, INS/GPS integration provides reliable navigation solutions by overcoming each of their shortcomings, including signal blockage for GPS and growth of position errors with time for INS. Present Kalman filtering INS/GPS integration techniques have some inadequacies related to the stochastic error models of inertial sensors, immunity to noise, and observability. This paper aims to introduce a multi-sensor system integration approach for fusing data from INS and GPS utilizing artificial neural networks (ANN). A multi-layer perceptron ANN has been recently suggested to fuse data from INS and differential GPS (DGPS). Although being able to improve the positioning accuracy, the complexity associated with both the architecture of multi-layer perceptron networks and its online training algorithms limit the real-time capabilities of this technique. This article, therefore, suggests the use of an alternative ANN architecture. This architecture is based on radial basis function (RBF) neural networks, which generally have simpler architecture and faster training procedures than multi-layer perceptron networks. The INS and GPS data are first processed using wavelet multi-resolution analysis (WRMA) before being applied to the RBF network. The WMRA is used to compare the INS and GPS position outputs at different resolution levels. The RBF-ANN module is then trained to predict the INS position errors and provide accurate positioning of the moving platform. Field-test results have demonstrated that substantial improvement in INS/GPS positioning accuracy could be obtained by applying the combined WRMA and RBF-ANN modules.     

ARINC429总线接口设计与实现

ARINC429总线在航空电子系统领域被广泛的应用。本文分析了ARINC429总线的工作原理,根据其数据格式、接口电平要求,给出了由FPGA设计实现ARINC429总线的基本原理,并通过VHDL语言编程,实现了ARINC429总线协议部分,实现了接收和发送功能。采用FPGA器件设计集成ARINC429总线协议的通信芯片,可以有效地提高数据通信模块的处理能力和集成度。通过实际与通用型ARINC429总线芯片的通讯,验证了方案的正确性。     

面向声源定位的改进广义互相关时延估计方法

面向以数字微机电系统(MEMS)麦克风作为声传感器的声源定位阵列,完成了前端麦克风阵列的电路设计和以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的数据采集系统的开发,并对麦克风输出的脉冲密度调制信号进行了降采样处理.针对传统的广义互相关算法在低信噪比下时延估计误差较大的问题,提出了一种改进PHAT加权函数的方法.在同等条件下对基于不同加权函数的广义互相关算法进行了MATLAB仿真验证,实验结果表明,在低信噪比条件下该方法相较于传统的广义互相关算法,时延估计误差更小且抗噪性能更强.     

FPGA在高性能数据采集系统中的应用

设计了以FPGA(现场可编程门阵列)为核心逻辑控制模块的高性能数据采集系统，该系统除了可完成24路最大采样频率为100kHz(精度16位)的模拟信号采集和8路宽范围频率信号采集，还具有较强的数字信号处理能力和一定的容错、自检功能。FPGA模块采用VHDL语言设计，在MAX PLUSII集成环境中进行软件设计和系统仿真，本文给出了FPGA主要功能模块的仿真图形。     

采用FPGA实现基于LMS算法的自适应均衡器的设计研究

近年来,自适应均衡技术在无线通信系统中的应用日益广泛,利用自适应均衡技术在多径环境中可以有效地提高数字接收机的性能。本文阐述了在用MATLAB软件仿真的基础上使用FPGA芯片设计自适应均衡器的一种方法;简要介绍了此设计中采用的各个主要功能模块,后者应用到相应的硬件平台上,取得了一定的设计效果。     

A fast pulse phase estimation method for X-ray pulsar signals based on epoch folding

X-ray pulsar-based navigation (XPNAV) is an attractive method for autonomous deep-space navigation in the future. The pulse phase estimation is a key task in XPNAV and its accuracy directly determines the navigation accuracy. State-of-the-art pulse phase estimation techniques either suffer from poor estimation accuracy, or involve the maximization of generally non-convex object function, thus resulting in a large computational cost. In this paper, a fast pulse phase estimation method based on epoch folding is presented. The statistical properties of the observed profile obtained through epoch folding are developed. Based on this, we recognize the joint prob-ability distribution of the observed profile as the likelihood function and utilize a fast Fourier transform-based procedure to estimate the pulse phase. Computational complexity of the proposed estimator is analyzed as well. Experimental results show that the proposed estimator significantly outperforms the currently used cross-correlation (CC) and nonlinear least squares (NLS) estima-tors, while significantly reduces the computational complexity compared with NLS and maximum likelihood (ML) estimators.     

Method for utilizing PIV to investigate high curvature and acceleration boundary layer flows around the compressor blade leading edge

Particle Image Velocimetry (PIV) is a well-developed and contactless technique in experimental fluid mechanics, but the strong velocity gradient and streamline curvature near the wall substantially limits its accuracy improvement. This paper presents a data processing procedure combining conventional PIV and newly developed Mirror Interchange (MI) based Interface-PIV for the measurement of the boundary layer parameter development in the blade leading edge region. The synthetic particle images are used to analyze the measurement errors in the entire procedure. Overall, three types of errors, namely the errors caused by the Window Deformation Iterative Multigrid (WIDIM) algorithm, the discrete data interpolation and integration, and the wall offset uncertainty, comprise the main measurement error. Specifically, the errors due to the discrete data interpolation and integration and the WIDIM algorithm comprise the mean bias, which can be corrected through the error analysis method proposed in the present work. Meanwhile, the errors due to the WIDIM algorithm and the wall offset uncertainty contribute to the measurement uncertainty. Computational fluid dynamics-based synthetic particle flows were generated to verify the newly developed PIV data processing procedure and the corresponding error analysis method. Results showed that the data processing method could improve the accuracy of PIV measurements for boundary layer flows with high curvature and acceleration and even with significant flow separation bubbles. Finally, the data processing method is also applied in a PIV experiment to investigate the boundary layer flows around a compressor blade leading edge, and several credible boundary flow parameters were obtained.     

一种BT.656到XGA视频格式转换结构的FPGA实现

本文简化了常用的BT.656接口复合视频信号向1024×768的XGA视频信号转换的结构,在matlab中对该结构的核心转换模块进行了算法建模和仿真。在此基础上用HDL描述语言描述了整个转换结构的功能模型,并用matlab生成视频数据文件供modelsim工具作为输入,仿真后输出图像数据经matlab处理显示结果正确。最后在FPGA验证板上对整个视频格式转换模块进行了原型验证,输出视频信号清晰地显示在显示器上。     

捷联惯导姿态算法中的圆锥误差与量化误差

对捷联惯导系统的误差源进行了研究,利用几何方法分析了不可交换性误差和量化误差的形成机理,以及它们的相互影响。针对工程应用中激光陀螺输出脉冲采样量化条件,就多子样算法进行了讨论,并设计了基于MATLAB/Simulink的仿真。研究结果表明,当考虑量化误差的影响时,选取适当的量化因子,三子样等效旋转矢量算法比其它算法具有更好的综合性能。     

基于FPGA的多通道ARINC429通信芯片的设计

ARINC429是一种在航空电子系统领域被广泛应用的总线标准。采用PFGA器件设计集成多路ARINC429通道的通信芯片,可以有效地提高数据通信模块的处理能力和集成度,并降低研制成本。本文提出了一种内置控制核和大容量缓存的多路通信芯片的设计原理,它采用基于FPGA的硬件方法;而FPGA设计采用的硬件语言是VHDL,实现平台是ALTERA的FLEX系列逻辑器件。这种设计方法已被验证对通信电路的研制是行之有效的。