Pulsar Darbe Sinyaline Dayalı Uzay Aracı Navigasyon Sistemi
Zhai Qianqian 1, Tang Haifeng 1, 2, Ma Kun 1
(1. Bilim Okulu, Kunming Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Kunming, Yunnan 650500; 2. Xi'an Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Xi'an, Shaanxi 710119)
Pulsarlar, sürekli olarak periyodik elektriksel nabız sinyalleri yayan, 107-109T'lik güçlü bir manyetik alana sahip, hızlı dönen nötron yıldızlarıdır. Uzay aracının konumlandırılması ve tutum ayarı, darbe profili belirlenerek gerçekleştirilebilir. Foton varış zamanının toplanan TDC verileri, foton varış zamanını (TOA) elde etmek için darbe profilini eski haline getirmek için USB yoluyla ana bilgisayara iletilir. Xian Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü'nün X-ışını yer simülasyon sistemi, test için B0531 galaksisini oluşturmak için kullanıldı. Elde edilen darbe profili, NASA'dan indirilen B0531 yıldız verilerinin darbe profiline% 95,38 benzerdi.
X-ışını pulsar navigasyonu; TDC; TOA; kaba zaman; ince zaman; nabız çevresi restorasyonu
Pulsar navigasyonu, uzaydaki yıldızlararası uzay aracı için konum, hız ve zaman gibi navigasyon bilgilerini sağlamak için pulsarların kararlı radyasyon periyodu özelliklerini kullanır. Bu yeni bir tür navigasyon sistemidir.Bu aşamada, Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve Avrupa Uzay Ajansı, pulsar navigasyonu için yeni teknolojileri ve yeni yöntemleri araştırmaktadır. Bu yazıda önerilen X-ışını pulsar navigasyon sistemi, Çin Bilimler Akademisi Xian Optik ve Mekanik Enstitüsünün X-ışını pulsar yer simülasyon sisteminin deneysel platformuna dayanmaktadır. Şekil 1, X-ışını pulsar yer simülasyon sisteminin genel blok diyagramını göstermektedir.
Şekil 1 X-ışını pulsar zemin simülasyon sisteminin blok diyagramı
X-ışını pulsar analog ışık kaynağı, deneyler için simüle edilmiş X-ışını pulsarları sağlamak için X-ışını radyasyon enerjisi spektrumu, enerji, darbe profili ve darbe süresi gibi X-ışını pulsarlarının fiziksel özelliklerini simüle eden özel bir sinyal oluşturucuya eşdeğerdir. . X ışınları yalnızca bir vakumda iletilebilir Şekil 1'de gösterilen vakum sistemi, X ışını optik yolu için 10-5Pa vakum ortamı sağlayabilir. Pulsarlar her yöne yayılır Odaklanmış (SSD) dedektörler, X-ışınlarının yoğunluğunu artırmak için X-ışını pulsarlarını toplamak için dışbükey aynalara eşdeğerdir ve ardından bunları arka uç elektronikler için elektronlara dönüştürür.
1 Arka uç elektronik tasarım ve sinyal işleme sistemi
SSD dedektör tarafından elektronik çıkış elde edildikten sonra, çıkış sinyali zayıf olduğundan ve dijital devre tarafından tanınamadığından, foton darbesi varış sinyalinin ön amplifikasyon ve hat artışından sonra elde edilmesi gerekir ve ardından anı almak için foton darbesi varış sinyali zaman ölçüm devresine gönderilir. Nabzın tam varış zamanı, nihayet veri işleme için USB aracılığıyla üst bilgisayara gönderilir, böylece hangi pulsarın toplandığını bilir. Şekil 2, arka uç elektroniklerin genel tasarım akış şemasını göstermektedir.
Şekil 2 Arka uç elektronik tasarımının akış şeması
SSD odaklama dedektörü tarafından alınan olay ışığı çok zayıf olduğunda, dedektörün çıkış sinyali Şekil 3 (a) 'da gösterilmektedir, burada bir darbe bir foton olayının oluşumunu temsil etmektedir. Gelen ışık nispeten güçlü olduğunda, detektörün çıkış sinyali Şekil 3 (b) 'de gösterilir ve darbe birikimi olgusu ortaya çıkacaktır.
(a) Zayıf ışık girişi (b) Güçlü ışık girişi
Şekil 3 Dedektör çıkış sinyali
SSD odaklama dedektörünün çıkış elektronik darbesinin gerçek ölçümüne göre (Şekil 3 (a)), düşen kenar yaklaşık 10 ns'dir ve yükselen kenar yaklaşık 400 µs'dir. Arka uç devresini tasarlamak için, şarj sinyalini bir voltaj sinyaline dönüştürmek için bir ön amplifikatör kullanılır. Şekil 4, ön yükseltmeden sonra elektrik sinyal çıkışını gösterir.
Ön amplifikasyondan sonraki elektrik sinyali, Şekil 4'ten uzun bir kuyruğun olduğu ve amplifiye edilmiş çıkış sinyalinin şekillendirilmesi gerektiği gözlemlenebilir. Şekillendirmenin ana işlevleri şunlardır: foton varışının doğruluğunu artırmak için, şekillendirme, çıkış tek-foton darbesini aynı yükselme süresine sahip bir darbe sinyaline şekillendirebilir; Çözünürlüğü iyileştirmek için, ana amplifikatör, yüksek frekanslı ve düşük frekanslı gürültüyü filtrelemek için çıkış elektrik sinyalini filtreler, Sinyal-gürültü oranını iyileştirin; sayma oranını artırın, şekillendirme darbe genişliğini azaltabilir, böylece sayım hızını artırabilir. Şekil 5, yeniden şekillendirilmiş elektrik sinyali çıkışını göstermektedir, tek foton darbe genişliği 4 s yarı Gauss darbesidir. Darbe yüksekliği belirli bir eşiğe ulaştığında, bir foton olayı toplandığı, darbe yüksekliği eşik yüksekliğine ulaşmadığı zaman ise foton olayı toplanmadığı anlamına gelir. Bir foton olayı toplandığında, arka uç zaman ölçüm devresine girilir.
Şekil 4 Ön amplifikasyondan sonra elektrik sinyali çıkışı
Şekil 5 Şekillendirmeden sonra elektrik sinyali çıkışı
2 Zaman ölçüm devresinin tasarımı
Zaman ölçüm devresi, tüm pulsar navigasyonunun önemli bir parçasıdır Bir foton darbesi varış sinyali alındığında, foton darbesinin bu andaki varış zamanı toplanır. Foton darbesinin varış zamanı, kaba zamana ve hassas zamana bölünmüştür. Bu tasarım, tasarım için Xilinx'in Virtex LX50T'sini kullanır.Kaba zaman ikinci zaman ve ikinci zamanın üzerindeki zaman sinyali ve ince zaman bir saniyenin altındaki zamandır. Hassas zaman, tüm zaman ölçüm devresinin en önemli parçasıdır Şekil 6, hassas zaman tasarımının blok diyagramını gösterir.
Şekil 6 Ayrıntılı zaman tasarım yapısının blok diyagramı
2.1 Gri kod tasarımı
Bu zaman ölçüm devresi tasarımının ana frekansı 200 MHz yani saat döngüsü 5 ns'dir. Her şeyden önce 5 ns döngü sayımı kullanarak 1 saniyeye kadar saymak gerekir FPGA sayımında genellikle iki tür ikili sayma ve Gray kod sayma vardır.Burada Gray kod sayımı kullanılır. Gray kod sayımı, her sayıldığında yalnızca bir bit değişir, ortaya çıkan yük küçüktür ve Gray kod sayımının kullanılması, dijital devrenin arıza fenomenini büyük ölçüde azaltacaktır.
2.2 IODELAY tasarımı
İnce zaman tasarımında, iki zaman dilimine bölünmüştür, birincisi 5 ns'den 1 sn'ye kadar olan zaman periyodu ve ikincisi 1 ns'den 5 ns'ye kadar olan zaman periyodudur. FPGA tasarımında frekans çarpımını sağlamak için programlama dilini kullanmak mümkün değildir ve genellikle doğrudan resmi IP çekirdeklerini kullanır. IP çekirdeği, sayma fonksiyonunu gerçekleştiremeyen gerekli frekansı doğrudan üretir ve zaman ölçüm devresinin zaman doğruluğu 1 ns'dir, bu nedenle en az 4 farklı frekansın üretilmesi gerekir, bu da FPGA'nın alanını arttırır ve hızı etkiler. Havacılık seyrüseferinde FPGA hızının olabildiğince arttırılması gerekmektedir Burada tasarım için Xilinx tarafından sağlanan IODELAY ilkeli kullanılmıştır. IODELAY ilkel, 64 vuruşlu bir surround gecikme birimidir, her bir vuruşun gecikmesi tam olarak 78 ps'ye ayarlanmıştır ve gecikme süresi nispeten kararlıdır. Şekil 7, IODELAY ilkelinin RTL görünümünü gösterir. Bu tasarımda, 1 ns'den 5 ns'ye kadar saymayı gerçekleştirmek için IODELAY ilkelindeki IODELAY tipi SABİT, geri besleme saat frekansı 200 MHz ve IODELAY_TYPE parametresi 0, 13, 26, 38, 51'dir.
Şekil 7 IODELAY ilkelinin RTL görünümü
2.3 Veri entegrasyonu
5 ns'den 1 sn'ye kadar saymanın tamamlanması için 28 bit gerekir, bu nedenle ilk zaman periyodundaki veri bitlerinin sayısı 28'dir. IODELAY'i, aralarında hassasiyetin 1 ns olduğu ve IODELAY'in sayımını tamamlamak için 3 bitin gerekli olduğu 0 5 ns sayımını gerçekleştirmek için IODELAY kullanın. Son olarak, kaba zaman ve hassas zaman, 48 bitlik TDC verilerini elde etmek için doğrudan entegre edilir. Verileri aldıktan sonra 48 bitlik geçerli verisini USB üzerinden üst bilgisayara gönderin. Veri bütünlüğünün tespitini kolaylaştırmak için geçerli verinin önüne 255,0 başlık eklenir. Şekil 8, entegrasyondan sonra TDC verilerinin bir çerçevesini gösterir; 0, çerçeve başlığıdır ve aşağıdaki 48 bitlik veriler, TDC aktarım verileridir.
Şekil 8 TDC veri aktarım formatı
3 USB iletim tasarımı
USB çipi, FPGA ile ana bilgisayar arasındaki iletişimi tamamlamak için Cypress'in CY7C68013A'sını kullanır. CY68013A, endüstri standardı 8051 işlemciyi entegre eder, tam USB çıkışı, RAM tabanlı mimari tasarımı sınırsız konfigürasyon ve yükseltmelere izin verir, USB protokolünün otomatik işlenmesi, kodun karmaşıklığını büyük ölçüde azaltır. Bu çip, okuma ve yazma işlemleri için 4 dilim FIFO'ya sahiptir, yalnızca TDC verilerini FPGA'dan üst bilgisayara göndermesi gerekir, bu nedenle yalnızca FIFO'ya yazmanız gerekir. Burada çalışmak için FIFO'nun ikinci dilimini seçin ve USB aktarım modunu Bağımlı FIFO olarak ayarlayın. Şekil 9, USB arayüzünün FPGA tasarımı için durum makinesini göstermektedir Durum makinesi, Syplify Pro yazılımı tarafından doğrudan simüle edilir ve oluşturulur.
Şekil 9 USB arayüzü tasarım durumu makine şeması
EP2'nin dolu olmadığı tespit edildiğinde, IDLE durumu FIFO'nun adresini ayarlamak için WADDR_SET durumuna atlar; daha sonra USB SLWR arayüzünü ayarlamak için doğrudan SLWR_LOW durumuna atlar ve FIFO'ya yazmaya başladığını belirtir; SLWR ayarını tamamladıktan sonra DATA_WRITE durumuna atlar. Durum, TDC verilerini USB veri yoluna yerleştirmektir; veri yerleştirme tamamlandıktan sonra, SLWR_HIGH durumuna atlar, bu da USB'nin veri iletimini başlattığı anlamına gelir; veri iletimi tamamlandığında, WR_HALT durumuna atlar ve askıda kalır; daha fazla iletim gerekmiyorsa Atlama IDLE durumunda olacaktır, aksi takdirde WR_HALT kendi kendine askıya alma durumunda olacaktır. USB FPGA arayüz tasarımı tamamlandıktan sonra, TDC verileri USB aracılığıyla üst bilgisayara iletilir Şekil 10, üstteki bilgisayarın aldığı verileri gösterir. TDC'nin verisi 58 bit ve USB iletim için 8 bittir Burada, TDC'nin verisi belirli bir sayı eklendikten sonra iletilecektir: time_tdc = {8'd255,8'd0, tdc_time, 2'd0, tdc_time}. Şu anda, 64-bit time_tdc, 8 kez iletecek olan USB üzerinden iletilecektir. 64-bit time_tdc'yi bir veri çerçevesi olarak bir kez iletin, 255,0 bu veri çerçevesinin başlığıdır ve aşağıdaki 48 bitlik veriler TDC'nin etkili iletim verileridir.
Şekil 10 Ana bilgisayar tarafından alınan TDC verileri
Şekil 11 Nanosaniye cinsinden TDC verileri
4 Veri işleme ve darbe konturu onarımı
USB üzerinden TDC verisi elde ettikten sonra, öncelikle veri kodlanmalıdır.Şekil 10'daki 255,0,2,142,23,288,195,142 örnek olarak alın. İlk olarak, bu çerçevenin verilerini ns cinsinden verilere, yani Veri = (2 * 256 + 142) * 109 + 23 * 2563 + 228 * 2562 + 195 * 256 + 142'ye dönüştürün. İşlemenin bu kısmı MATLAB yazılımına dönüştürülür Şekil 11, nanosaniyeye dönüştürülen verilerin sonucunu gösterir.
Şekil 10'da gösterilen TDC verileri elde edildikten sonra, epoch superimposition, puls profilini eski haline getirmek için kullanılabilir. İlk olarak, darbe periyodu m eşit parçaya bölünmüştür, her eşit parça bir BIN'dir (zaman bölmesi), BIN'in boyutu:? Yerleşik? Alt = T / m'dir. Tp, foton varış zamanı verisidir, daha sonra foton varış zamanı, darbe periyodu ve fotonun faz ilişkisi şu şekilde ifade edilebilir:
Her bir fotona tekabül eden faz a altn'nin hesaplanması şu şekilde ifade edilebilir:
Bunlar arasında Txn, n'inci fotonun varış zamanının ince zaman bölümünü temsil eder.Formül (1) ve formül (2) 'ye göre, her bir fotonun karşılık gelen fazı elde edilebilir.Aln, darbe periyodu m eşit parçaya bölünür ve her eşit parça birdir. BIN aynı anda bir adrese karşılık gelir, adres aralığı 0 (m-1) olarak ifade edilebilir, ardından BIN adresi şu şekilde ifade edilebilir:
Tüm fotonlar, tek bir atımda faz değerlerine göre hizalanır ve sonra toplanır.Her bir alt faz aralığındaki tek darbe olaylarının histogramı, pulsarın kümülatif darbe profilini oluşturur. Şekil 12, dönemler üst üste bindirildikten sonra dalga biçimini göstermektedir, satırı, NASA'dan indirilen B0531 standart verisidir ve satırı, TDC tarafından üretilen verilerdir. İkisi arasındaki benzerlik% 95.38'dir.
5 Özet
Bu makale, X-ışını pulsar navigasyon sisteminin zaman ölçüm devresini tasarlar ve nabız varış zamanını elde eder. Zaman ölçüm devresi Xian Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences'ın X-ray zemin simülasyon sistemi kullanılarak test edildi ve elde edilen TDC verilerinin ve NASA tarafından indirilen B0531 verilerinin darbe profili benzerliği% 95,38'e ulaştı. X-ışını pulsar navigasyonunun doğruluk gereksinimlerini karşılar ve gerçek uzayda nabız navigasyonunu gerçekleştirmek için belirli bir referans rolü oynar.
Referanslar
SHEIKH S I. Uzay aracı navigasyonu için değişken göksel X-ışını kaynaklarının kullanımı Maryland: Maryland Üniversitesi, 2005.
Shuai Ping, Li Ming, Chen Shaolong. X-ışını Pulsar Navigasyon Sisteminin İlkeleri ve Yöntemleri. Pekin: Çin Havacılık ve Uzay Yayınevi, 2009.
SONG J, AN Q, LIU S. Alanda programlanabilir kapı dizilerinde uygulanan yüksek çözünürlüklü, zamandan dijitale dönüştürücü. Nükleer Bilim, IEEE İşlemleri, 2006, 53 (1): 236-241.
DOWNS G S. Titreşimli radyo kaynaklarını kullanan gezegenler arası navigasyon NASA Teknik Raporu N74-34150, 1974: 1-12.
GRAVEN P, COLLINS J, SHEIKH S, ve diğerleri.Derin uzay navigasyonu için XNAV. 31. Yıllık AAS Rehberlik ve Kontrol Konferansı Bildirileri, 2008.
Sheng Lizhi. X-ışını pulsar sinyal simülasyon kaynağı ve detektörünün anahtar teknolojileri üzerine araştırma Xi'an: Xi'an Optik ve Mekanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, 2013.
Zhou Feng, Wu Guangmin, Zhao Baosheng ve diğerleri X-ışını pulsar navigasyonuna dayalı analog modülasyon simülasyon kaynağı üzerine araştırma. Açta Physica Sinica, 2013, 62 (11) 572-577.
Huang Junliang MAMA Ultraviyole Dedektör Sistemi ve Yüksek Kazançlı MCP. Kızılötesi Teknolojisi, 1997, 19 (5): 39-44.
Su Hong, Zhou Bo, Li Xiaogang, ve diğerleri Küçük ölçekli bir amplifikasyon ve tepe tutma devresi. Nükleer Elektronik ve Algılama Teknolojisi, 2004, 24 (6): 268-570.
Yan Qiurong. MCP pozisyona duyarlı anot dedektörüne dayanan zamana bağlı tek foton sayma teknolojisi üzerine araştırma. Pekin: Çin Bilimler Akademisi Yüksek Lisans Üniversitesi, 2012.
Li Yuzhong.Yüksek hızlı zaman-dijital dönüştürücü tasarımı ve uygulaması Changsha: Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi, 2008.
Zhang Min. Pikosaniye çözünürlüklü FPGA-TDC teknolojisi üzerine araştırma Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2013.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
