X射線脈沖星導航硬件脈沖輪廓累積研究

吳亞平， 趙建軍， 吳光敏， 高霞芳, 2, 唐海峰

1.昆明理工大學 理學院， 昆明 650093 2.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術國家重點實驗室， 西安 710119

X射線脈沖星導航硬件脈沖輪廓累積研究

吳亞平1,2， 趙建軍1,*， 吳光敏1， 高霞芳1, 2, 唐海峰1,2

1.昆明理工大學 理學院， 昆明 650093 2.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術國家重點實驗室， 西安 710119

為了在X射線脈沖星地面實驗系統仿真源模擬產生X射線的基礎上，能夠快速穩定地得到脈沖輪廓，采用硬件歷元疊加的方法獲得脈沖輪廓。研究了用硬件實現歷元疊加及其數據整合的算法，該算法首先在MATLAB現場可編程邏輯陣列(FPGA)中實現，再通過MATLAB硬件描述語言(HDL)代碼生成模塊把算法轉換成HDL，經編譯后獲得配置硬件的Bit文件，最終在開發板FPGA上實現數據處理的硬件模塊。一段時間內的光子到達時間數據通過MATLAB算法得到的脈沖輪廓數據與通過硬件模塊處理后得到的數據結果存在誤差，在單個時間窗口內誤差最大值為2個光子數，誤差平均值占光子數統計平均值的0.084%；兩組統計的脈沖輪廓數據中不同數據占總數據個數的9.481%，這樣的誤差不影響后端模擬導航模塊的導航。利用硬件實現的歷元疊加及其數據整合模塊具有處理速度快、設備緊湊、功耗低的特點，為航天器利用X射線脈沖星導航提供了一種可行的硬件數據處理技術上的支持。

脈沖星； 硬件處理； 現場可編程邏輯陣列(FPGA)； 硬件設計； 信號源

X射線脈沖星導航是一項利用X射線脈沖星脈沖信號進行自主導航的技術[1-2]。由于地球大氣層的阻擋，地面難以觀測到X射線脈沖星信號，因此開展X射線脈沖星導航飛行試驗需要在飛行在大氣層外的研究載體上進行，但是空間搭載試驗費用巨大，涉及的技術范圍廣，難度大[3-5]。因此中國科學院西安光機所在地面建立了地面實驗系統，對X射線脈沖星的X射線脈沖信號進行地面仿真研究。

由于光子的量子統計特性，需要對大量光子進行累積才能獲得有關脈沖的波形，進而得到脈沖到達時間(TOA)[6-7]。目前脈沖輪廓累計的處理方式是直接把光子的到達時間數據傳送到上位臺式計算機系統，實現時間數據的采集與處理[8-9]。光子到達時間數據傳送到計算機后需要手動將數據文件加載到MATLAB的數據處理程序中，再由MATLAB程序繪制出脈沖導航的脈沖輪廓；如此一來，這個處理過程的實時性將受到極大的影響。此外，臺式計算機系統的重量較重、體積龐大，不利于在太空環境中使用[10-11]。

為了解決上述問題，必須找到一種工作穩定、功耗低、處理數據快、精度高、重量輕、體積小的數據處理設備。鑒于此，本文提出一種利用嵌入式計算機系統進行硬件歷元疊加和數據整合的方法，以實現脈沖輪廓累積的數據硬件層處理，即在利用MATLAB實現脈沖星脈沖輪廓累積的基礎上，借助硬件描述語言代碼生成(HDL Coder)輔助設計工具，實現利用現場可編程邏輯陣列(FPGA)硬件系統對光子到達時間數據進行的歷元疊加和脈沖輪廓數據整合，進而輸出脈沖輪廓的到達時間數據。

本文介紹了光子到達時間數據的歷元疊加和數據整合的原理以及相關硬件實現的方法。通過MATLAB和MODELSIM實現硬件模塊的功能性仿真。其中，所使用的硬件開發板(XILINX公司推出的XUP Virtex-II Pro開發板)的質量只有650 g，5 V的電壓下即可工作，且功耗僅為20 W；與之對比的，目前的臺式計算機的質量都在數千克以上，工作電壓為220 V，且功率不低于300 W。由此可見，所使用的設備在質量和功耗上具有明顯優勢。最后，通過實驗對模塊可靠性、數據處理準確性以及處理速度等方面進行了驗證。

1 實驗仿真系統介紹

中國科學院西安光機所(以下簡稱光機所)的X射線脈沖星地面仿真實驗系統如圖1所示。圖2為X射線脈沖星仿真源實驗系統，它將產生X射線光子，經過前端傳感器接收并轉換成電脈沖信號后傳送給電子讀出系統[6]。其中，時間精確測量電路(TDC)將光子到達時間轉換成數字信號并通過先入先出隊列(FIFO)送入光子時間采集與處理系統。采用光子時間數據按脈沖星周期進行歷元疊加后可得到高信噪比的累積脈沖輪廓。將脈沖輪廓經過識別后就可以得到到達時間數據，此數據可提供給后端模塊導航進行運算。

圖1 X射線脈沖星仿真源實驗系統實物圖

Fig.1 Physical diagram of X-ray pulsar source simulation experimental system

圖2 X射線脈沖星仿真源實驗系統示意圖

Fig.2 Schematic diagram of X-ray pulsar source simulation experimental system

2 脈沖輪廓累積原理與仿真

實現歷元疊加，首先要通過鑒相器[12]將TDC輸出端口的任意周期中的任意光子脈沖到達時間tx數據轉換成相應的時間相位數據φx。若已知脈沖周期為T，則任意的光子到達時間均可表示為

tx=nT+φx

(1)

式中：n為整數；φx為tx/T的余數[13]。經過一段時間后，將φx疊加到一個脈沖星周期時間范圍內以形成歷元疊加。

在數據整合中，將一個脈沖周期T分為512等分，每個等分為一個BIN，即

BIN=T/512

(2)

式中：BIN為均等周期時間單位內到達的光子數。對每個BIN里面的光子(每個φx表示一個光子)進行統計就可得出在該BIN里面的光子數。根據此統計結果，利用MATLAB工具繪制出一個脈沖周期內512個BIN的光子數即可得到該脈沖星的脈沖輪廓。

根據上述原理，設計出了MATLAB的數據處理程序*.m，并在*_tb.m的測試文件Text Bench中導入連續的64 000個精度為ns的光子到達時間數據，經過處理后，得到脈沖星脈沖輪廓，如圖3所示。圖3(a)中，導入的光子到達時間數據是前端仿真源系統輸出的“巨蟹座”脈沖星(目前研究最多的一顆脈沖星)發射出的光子到達時間數據，根據此數據繪制出了該脈沖星的脈沖輪廓；圖3(b)為光機所的X射線脈沖星仿真源實驗系統所模擬出的脈沖輪廓。通過兩圖對比可以看出，二者所得到的脈沖星導航脈沖輪廓是一致的。

圖3 “巨蟹座”X射線脈沖星導航脈沖輪廓

Fig. 3 X-ray pulsar navigation pulse profile of “Crab”

3 硬件實現歷元疊加和數據整合

MATLAB 2013a版本推出了HDL Coder模塊[14]，利用該模塊可以實現FPGA和ASIC設計[15-16]。在純算法的硬件語言轉換方面，HDL Coder模塊與其他的硬件語言轉換工具(如Xilinx公司的HLS和AccelDSP硬件轉換工具)相比，具有轉換準確、語言簡潔的特點[17]。把MATLAB的程序轉換成HDL需要準備兩個文件：*.m的function功能函數文件和*_tb.m的Text Bench文件。在MATLAB的HDL Coder的模塊中添加兩個文件，并在轉換成的定點文件添加相應缺失的函數，優化后即可轉換出VHDL硬件模塊。排除數據格式錯誤后，用ISE10.1編譯就可以得到配置FPGA的Bit文件。本次設計采用的硬件開發平臺是XILINX公司推出的XUP Virtex-II Pro開發板。

圖4 硬件模塊轉換流程

Fig.4 Process of hardware module conversion

鑒于高速、占用資源要求少的設計要求，對數據綜合部分的硬件代碼進行了大量優化，去掉了多余的數組定義和相關運算，并補充了相關的數據定義和算法。

在歷元疊加模塊還需要對每個BIN的數據進行統計。由于每個BIN內的光子個數都是不確定的，因此本次設計采用動態模數組對其進行統計；之后，再利用循環操作把所得的統計數據放入數組內。這樣，在輸出端口只需依次讀出數組內的數據就能得到整個脈沖輪廓的數據。狀態機克服了純硬件數組系統順序方式控制不靈活的缺點，而且在高速運算和控制方面也有巨大的優勢[18-20]。目前大多數的數據輸入輸出采用與輸入輸出信號同步的方式對數據進行操作，數據在傳輸的過程中會出現數據丟失或數據冗余的可能。本文用狀態機設計了兩個狀態S0和S1，其中：狀態S0為信號上升沿觸發，即前端數據到來時為上升沿，此時可把前端數據依次放入數組，狀態S1則是等待上升沿的到來。這樣，在數據傳輸過程中，有數據到來時才會執行數據的輸入或者輸出，提高了數據傳輸的準確度。數據輸入輸出的狀態機設計如圖5所示。

圖5 數據輸入輸出的狀態機設計

Fig.5 State machine designed for data input and output

4 實驗結果與分析

用MODELSIM 6.5對設計好的模塊進行仿真。模塊前端輸入34位數據，此數據為圖3(a)中用于畫出脈沖星輪廓的64 000個光子到達時間數據的二進制形式。得到仿真驗證結果如圖6所示。

圖6中，CP為數據讀入時鐘信號，該信號與前端FIFO的讀時鐘同步。a_unsigned數組存放的是64 000個光子到達時間數據；y_tmp數組中512個標號0～511的11位二進制數據，即累積好的脈沖輪廓數據。如表1所示，可將y_tmp數組中的二進制數據依次轉換成十進制數。

圖6 用MODELSIM進行功能性仿真

Fig.6 Functional simulation in MODELSIM

按照與圖3(a)中同樣的作圖間隔BIN，對表1 所得的數據進行曲線繪制，如圖7所示。

從圖7(a)和圖3(a)的對比中可以看出，所繪制出的脈沖輪廓圖有一定的細微差別。對比兩個脈沖輪廓數據可以發現，共有54對不同的數據，占總數據個數的9.48%，且在時間窗口內誤差的最大值為2個光子數。兩組輪廓數據的誤差曲線如圖7(b)所示。

之所以會出現圖7(b)中所示的誤差，是因為MATLAB在整個運算過程中都是采用雙精度的數據類型進行處理，而為了考慮計算的復雜度和運算速度的問題，硬件處理的數據都是以整數類

表1 y_tmp數組中的數據轉換

圖7 硬件處理結果及其誤差

Fig.7 Hardware processing results and errors

型進行處理的。所以，在數據整合的過程中，硬件運算的每個BIN的大小與MATLAB作圖時的BIN寬度不一致，因而會有光子數統計的誤差。

由于該硬件模塊采用的輸入輸出方式是基于狀態機的，因此，從目前的測試來看，只要光子到達的速度不超過21萬個數據每秒，該模塊都能累積出該脈沖信號的輪廓。在后端的波形識別模塊中，對于這樣的細微誤差可以忽略不計，完全不影響整個脈沖輪廓的識別。這表明，設計好的歷元疊加和數據整合的硬件模塊，有較高的數據處理準確性和實用性。該模塊可根據后端模塊的需要累積一段時間的光子到達時間數據在數毫秒的時間內得到脈沖輪廓累積數據，這要比把數據上傳到計算機進行計算后再得出結果的運算方式快得多。

5 結 論

1) 設計了一個處理前端光子到達時間數據并形成TOA脈沖輪廓的硬件模塊，由于該模塊采用整數的數據類型運算，所以處理得到的脈沖輪廓數據與MATLAB算法實現的數據有一定的誤差，但對于這樣的細微誤差可以忽略不計，不影響整個脈沖輪廓的識別以及后端模塊的導航。

2) “巨蟹座”脈沖星信號能流密度大約為1.54 ph/cm2/s，在RXTE衛星中觀測的實際光子到達時間數據的速度大約為5 000個數據每秒。從實驗數據可計算出該模塊的處理速度為21.3萬個數據每秒，高出RXTE衛星觀測到的實際光子到達速度的41倍?？梢娫撃K能夠滿足實際的光子到達時間數據處理速度并且運行可靠、功耗低、質量輕，能夠快速準確地為后端導航模塊提供導航數據。

3) 由于脈沖星信號能流密度極低，累積時間受自然規律限制，在后續的研究工作中需要在該硬件模塊中添加計數器，實現對單個時間窗口內的光子數進行統計和計算控制。

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吳亞平 男， 碩士研究生。主要研究方向： X射線脈沖星導航硬件脈沖輪廓累積。

Tel: 0871-65916591

E-mail: jyzx@kmust.edu.cn

趙建軍 男, 副教授。主要研究方向： X射線脈沖星導航。

Tel: 0871-65917864

E-mail: kmustdag@sina.cn

Received： 2015-03-20； Revised： 2015-05-04； Accepted： 2015-06-01； Published online： 2015-06-03 14:47

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.v.20150604.1139.005.html

Foundation items： National Natural Science Foundation of China (11103069, 61007017)

*Corresponding author. Tel.： 0871-65917864 E-mail: kmustdag@sina.cn

Hardware epoch superposition of X-ray pulsar-based navigation

WU Yaping1,2, ZHAO Jianjun1,*, WU Guangmin1, GAO Xiafang1,2, TANG Haifeng1,2

1.FacultyofScience,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China2.StateKeyLaboratoryofTransientOpticsandPhotonics,Xi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xi’an710119,China

Based on the X-rays pulsar-based source simulation produced by the ground experimental system, using the method of hardware epoch superposition, the pulse profile is obtained fast and stable. The algorithm of epoch superposition and data integration implemented by the field programmable gate arrays (FPGA) has been studied that is firstly achieved by using MATLAB then converted to hardware description language (HDL) by MATLAB HDL Coder. Secondly, the stream file of Bit can be obtained, configuring the hardware by the compiler. Finally, the hardware module can be practicable in the FPGA. The arrived time data of photons obtained by MATLAB algorithm has some errors with the data obtained after the treatment of the hardware modules; the maximum error is two photon numbers in the single time window, and the average error value accounts for 0.084 % of the average statistic value; the different data accounts for 9.481% of the total number of data in the two sets of statistical pulse profile data. Such errors do not affect the navigation of the subsequent navigation module. The hardware implementation and data integration epoch superposition modules get high processing speed, compact device and low power consumption, which provides viable data processing hardware technical support for spacecraft navigation using X-ray pulsars.

pulsar; hardware processing; field programmable gate arrays (FPGA); hardware design; signal sources

2015-03-20；退修日期：2015-05-04；錄用日期：2015-06-01； < class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間： 2015-06-03 14:47

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.v.20150604.1139.005.html

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吳亞平， 趙建軍， 吳光敏， 等. X射線脈沖星導航硬件脈沖輪廓累積研究[J]． 航空學報, 2016, 37(2): 662-668. WU Y P, ZHAO J J, WU G M, et al. Hardware epoch superposition of X-ray pulsar-based navigation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 662-668.

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10.7527/S1000-6893.2015.0164

V448.22； V448.23

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