一类循环平稳泊松信号快速模拟方法及其硬件系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一类循环平稳泊松信号快速模拟方法及实现的硬件。本发明的模拟方法是用高斯模型拟合一类循环平稳泊松信号的标准累积轮廓。该算法的实施方式概括为：用高斯拟合的方法将泊松信号标准累积轮廓分解成子高斯成分轮廓曲线，通过各子高斯成分轮廓生成光子序列，并引入泊松模型控制光子序列的信号流量强度，反过来再由所有子成分光子序列的合成得到拟合轮廓的光子序列，最终通过拟合轮廓生成仿真信号。本发明适用于Ｘ射线脉冲星导航等导航模拟系统中泊松信号的快速生成。
【专利说明】一类循环平稳泊松信号快速模拟方法及其硬件系统
【技术领域】:
[0001]本发明属于信号与信息处理领域，特别涉及一类循环平稳泊松信号快速模拟方法及其实现该方法的硬件系统，该方法可用于X射线脉冲星导航中的信号模拟和演示验证系统。
【背景技术】:
[0002]X射线脉冲星导航是一种全新的自主导航技术，可为地球轨道航天器及深空探测器提供精确的导航信息，以及为中远程导弹的近地轨道飞行提供精确的位置、速度、姿态和时间等丰富的导航信息。2003年Sheikh初步论证了基于X射线脉冲星的航天器自助高精度轨道确定的可行性，掀起了 X射线脉冲星导航研究的热潮。2004年初，美国国防部国防预先研究项目局提出了“基于X射线源的自主导航定位”研究计划，同时X射线脉冲星导航已纳入国防部长期发展战略规划纲要，并逐年增加项目研究经费，持续开展脉冲星导航的理论方法研究、关键技术攻关和原理样机研制等方面的研究工作。国内的研究机构及学者也在脉冲星导航领域的研究中取得了一定的成果，其研究重点主要集中于X射线脉冲星导航原理的探究和深化、TOA测量技术、解模糊算法、时间尺度转换、X射线脉冲星导航探测器及信号辨识等多个方面。随着深空探测需求的增加，脉冲星导航的研究也在不断发展和深化。
[0003]由于传输距离过长及地球大气层的遮挡，到达地面的X射线信号极其微弱并难以探测；并且考虑到X射线脉冲星信号产生和接收的复杂性，利用空间X射线脉冲星探测器获取数据需要专用卫星，造价高、涉及的技术广而复杂，风险较高，因此目前X射线脉冲星研究一般采用软件仿真数据。建立数值仿真系统能够以简单有效的方式实现X射线脉冲星仿真信号的建立，同时造价较低且无风险，能够为脉冲星导航研究提供支持。
[0004]而X射线脉冲星信号仿真的关键技术之一是建立合理的数学模型，现在已有的并且应用较为广泛的X射线脉冲星信号仿真的数学模型有泊松分布模型和指数模型。泊松分布模型最大的特点是简单、易于实现，但缺点是信号只能以采样单位内的总数给出，无法高精度分辨光子到达时间，这将导致时间转换过程中光行时的计算误差较大，不利于导航算法性能评价的可靠性。同样指数模型虽具有完备的理论支撑，在光子到达强度服从泊松分布的假设下，该模型是较为理想数据仿真模型，但是实际操作中发现该模型应用于仿真系统时，需要求解微分方程，计算量过大，光子产生效率极低，严重阻碍了仿真系统的实时性及实用性。为此本发明根据X射线脉冲星信号的特殊性，将其视为一类特殊循环平稳泊松信号，发明一种快速模拟方法及其硬件实现方法，用以提高信号产生效率，用以满足脉冲星模拟系统及其他脉冲星研究的需求。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服传统脉冲星信号产生方法的不足，以适应脉冲星导航模拟系统对X射线脉冲星信号仿真模型精度和计算速率的要求，提出了一类特殊循环平稳泊松信号快速仿真算法。[0006]由于脉冲星标准累积轮廓数据含有较多的高斯成分，因此脉冲星标准累积轮廓可由多个高斯分布概率密度曲线拟合而成。如果将组成脉冲星轮廓的每个高斯分布曲线用大量的随机数表示，对所有的随机数进行分组统计，得到的统计直方图包络则应该是脉冲星轮廓。基于这种思想建立X射线脉冲星信号数学模型，将大大提高仿真信号产生的速率，以较高的效率产生脉冲星信号，以满足从事X射线脉冲星导航的研究机构和个人对脉冲星辐射数据的需求。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用高斯模型拟合一类循环平稳泊松信号的标准累积轮廓，所述高斯拟合方法生成泊松信号的仿真信号的方法就是生成在周期内具有高斯分布特性的光子序列，产生光子序列仿真信号的流程如下:
[0008]I).利用RXTE探测器的实测数据，获取信号流量强度，计算单个周期内的信号平均光子流量强度Xs和噪声平均流量强度入b。
[0009]2).对泊松信号的标准累积轮廓进行高斯拟合，通过调整成分数使得高斯拟合曲线与标准轮廓的拟合程度最好，即使拟合得到的轮廓与标准累积轮廓的差异在均方意义下最小，记录高斯拟合成分的参数，包括成分数C，幅度系数Ci1、均值Ui和方差Si(I ^ i ^ C)。
[0010]3).在一个周期内分别对子高斯成分曲线积分，求出各高斯成分曲线包含的面积Bi,以及计算总面积
【权利要求】
1.一类循环平稳泊松信号快速模拟方法，其特征在于:采用高斯模型拟合一类循环平稳泊松信号的标准累积轮廓，所述高斯拟合方法生成泊松信号的仿真信号的方法就是生成在周期内具有高斯分布特性的光子序列，产生光子序列仿真信号的流程如下: 1).利用RXTE探测器的实测数据，获取信号流量强度，计算单个周期内的信号平均光子流量强度、s和噪声平均流量强度入b ; 2).对泊松信号的标准累积轮廓进行高斯拟合，通过调整成分数使得高斯拟合曲线与标准轮廓的拟合程度最好，即使拟合得到的轮廓与标准累积轮廓的差异在均方意义下最小，记录高斯拟合成分的参数，包括成分数C，幅度系数a 1、均值y i和方差δi (l≤i≤C); 3).在一个周期内分别对高斯成分曲线积分，求出曲线包含的面积％，以及计算总面积
2.根据权利要求1所述一类循环平稳泊松信号快速模拟方法，其特征在于:所述的一类循环平稳泊松信号具有稳定唯一的累积轮廓和平稳的周期。
3.一种实现权利要求1所述的一类循环平稳泊松信号快速模拟方法的硬件系统，其特征在于:包括快速模拟泊松信号的泊松信号生成单元及接收和处理泊松信号光子序列的信号接收与处理单元； 所述泊松信号生成单元包括以下模块: 高斯拟合模块，用于对泊松信号的标准累积轮廓进行高斯拟合，并生成各高斯拟合成分的系数；该系数应用到子成分分解模块中，将泊松信号的标准累积轮廓分解成各高斯拟合轮廓； 平均流强计算模块，利用RXTE实测数据，获取一类循环平稳泊松信号的流量强度，计算泊松信号的标准累计轮廓在单个周期内的平均光子流量强度； 子成分分解模块； 子成分面积及总面积计算模块，在一个周期内分别对各子高斯成分轮廓曲线积分，求出各曲线包含的面积，以及通过各子面积计算拟合轮廓曲线的总面积； 子成分平均流强计算模块，根据子高斯成分曲线包含的面积在总面积中所占的比例，计算出各子高斯成分的平均光子流量强度；子成分光子序列形成模块，各子高斯成分的平均光子流量强度送入子成分光子序列形成模块，该模块引入泊松分布来控制光子流量强度，同时根据子成分输入的流量强度返回光子数； 序列合成模块，各子成分的光子数送入序列合成模块，该模块将所有光子数时间从小到大排序得到该周期内的光子时间序列，即一类循环平稳泊松信号的拟合轮廓的光子序列； 信号存储与输出模块，光子序列送入信号存储与输出模块，该模块在原子钟的支持下记录光子序列到达时间并输出； 授时模块，由原子钟构成，用于精确计量光子序列的到达时间。
4.根据权利要求3所述的一种实现一类循环平稳泊松信号快速模拟方法的硬件系统，其特征在于:所述的高斯拟合模块中用到的拟合方法为:通过软件中的高斯拟合函数拟合一类循环平稳泊松信号的标准累积轮廓，观察高斯拟合波形与标准轮廓的吻合程度，如果对于部分子高斯波形未能准确拟合则可以通过增加成分或增加约束的方法优化拟合结果；同时在满足精度要求的前提下，脉冲区的拟合残差尽量与非脉冲区残差一致，以避免出现过拟合情况。
5.根据权利要求3所述的一种实现一类循环平稳泊松信号快速模拟方法的硬件系统，其特征在于:所述的子成分光子序列形成模块中引入了泊松分布模型。
6.根据权利要求3所述的一种实现一类循环平稳泊松信号快速模拟方法的硬件系统，其特征在于:所述的信号接收单元可由上位机构成，该单元用于接收信号生成单元输出的光子序列电脉冲信号，并处理该`信号以便应用于脉冲星导航模拟系统中。
【文档编号】G01C21/02GK103759726SQ201410003630
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】张华 , 许录平, 焦荣, 孙景荣, 何小川, 刘清华, 冯冬竹, 马炎, 李冀俊, 宋诗斌, 周伟, 郭晓彤, 冯大萨, 赵展锋, 谢雯 申请人:西安电子科技大学