[发明专利]一类循环平稳泊松信号快速模拟方法及其硬件系统

说明书

技术领域：

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：

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。

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。

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

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。

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。

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：

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λ_s和噪声平均流量强度λ_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α_i、均值μ_i和方差δ_i（1≤i≤C）。

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a_i，以及计算总面积

4）.求出各子高斯成分曲线包含的面积在总面积中所占的比例p_i＝a_i/A，并由此计算出各子高斯成分的平均光子流量强度f_i＝λ_s·p_i。