吳亞平， 趙建軍， 吳光敏， 高霞芳, 2, 唐海峰

1.昆明理工大學(xué) 理學(xué)院， 昆明 650093 2.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710119

X射線脈沖星導(dǎo)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(xué) 理學(xué)院， 昆明 650093 2.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710119

為了在X射線脈沖星地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真源模擬產(chǎn)生X射線的基礎(chǔ)上，能夠快速穩(wěn)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(shí)現(xiàn)歷元疊加及其數(shù)據(jù)整合的算法，該算法首先在MATLAB現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)中實(shí)現(xiàn)，再通過MATLAB硬件描述語言(HDL)代碼生成模塊把算法轉(zhuǎn)換成HDL，經(jīng)編譯后獲得配置硬件的Bit文件，最終在開發(fā)板FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的硬件模塊。一段時(shí)間內(nèi)的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)通過MATLAB算法得到的脈沖輪廓數(shù)據(jù)與通過硬件模塊處理后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存在誤差，在單個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)誤差最大值為2個(gè)光子數(shù)，誤差平均值占光子數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值的0.084%；兩組統(tǒng)計(jì)的脈沖輪廓數(shù)據(jù)中不同數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的9.481%，這樣的誤差不影響后端模擬導(dǎo)航模塊的導(dǎo)航。利用硬件實(shí)現(xiàn)的歷元疊加及其數(shù)據(jù)整合模塊具有處理速度快、設(shè)備緊湊、功耗低的特點(diǎn)，為航天器利用X射線脈沖星導(dǎo)航提供了一種可行的硬件數(shù)據(jù)處理技術(shù)上的支持。

脈沖星； 硬件處理； 現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)； 硬件設(shè)計(jì)； 信號源

X射線脈沖星導(dǎo)航是一項(xiàng)利用X射線脈沖星脈沖信號進(jìn)行自主導(dǎo)航的技術(shù)[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(dǎo)航飛行試驗(yàn)需要在飛行在大氣層外的研究載體上進(jìn)行，但是空間搭載試驗(yàn)費(fèi)用巨大，涉及的技術(shù)范圍廣，難度大[3-5]。因此中國科學(xué)院西安光機(jī)所在地面建立了地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對X射線脈沖星的X射線脈沖信號進(jìn)行地面仿真研究。

由于光子的量子統(tǒng)計(jì)特性，需要對大量光子進(jìn)行累積才能獲得有關(guān)脈沖的波形，進(jìn)而得到脈沖到達(dá)時(shí)間(TOA)[6-7]。目前脈沖輪廓累計(jì)的處理方式是直接把光子的到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)傳送到上位臺式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)據(jù)的采集與處理[8-9]。光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)后需要手動將數(shù)據(jù)文件加載到MATLAB的數(shù)據(jù)處理程序中，再由MATLAB程序繪制出脈沖導(dǎo)航的脈沖輪廓；如此一來，這個(gè)處理過程的實(shí)時(shí)性將受到極大的影響。此外，臺式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重量較重、體積龐大，不利于在太空環(huán)境中使用[10-11]。

為了解決上述問題，必須找到一種工作穩(wěn)定、功耗低、處理數(shù)據(jù)快、精度高、重量輕、體積小的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。鑒于此，本文提出一種利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行硬件歷元疊加和數(shù)據(jù)整合的方法，以實(shí)現(xiàn)脈沖輪廓累積的數(shù)據(jù)硬件層處理，即在利用MATLAB實(shí)現(xiàn)脈沖星脈沖輪廓累積的基礎(chǔ)上，借助硬件描述語言代碼生成(HDL Coder)輔助設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)硬件系統(tǒng)對光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行的歷元疊加和脈沖輪廓數(shù)據(jù)整合，進(jìn)而輸出脈沖輪廓的到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)。

本文介紹了光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)的歷元疊加和數(shù)據(jù)整合的原理以及相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)的方法。通過MATLAB和MODELSIM實(shí)現(xiàn)硬件模塊的功能性仿真。其中，所使用的硬件開發(fā)板(XILINX公司推出的XUP Virtex-II Pro開發(fā)板)的質(zhì)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(jì)算機(jī)的質(zhì)量都在數(shù)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(shè)備在質(zhì)量和功耗上具有明顯優(yōu)勢。最后，通過實(shí)驗(yàn)對模塊可靠性、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性以及處理速度等方面進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)介紹

中國科學(xué)院西安光機(jī)所(以下簡稱光機(jī)所)的X射線脈沖星地面仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。圖2為X射線脈沖星仿真源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它將產(chǎn)生X射線光子，經(jīng)過前端傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電脈沖信號后傳送給電子讀出系統(tǒng)[6]。其中，時(shí)間精確測量電路(TDC)將光子到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過先入先出隊(duì)列(FIFO)送入光子時(shí)間采集與處理系統(tǒng)。采用光子時(shí)間數(shù)據(jù)按脈沖星周期進(jìn)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(jīng)過識別后就可以得到到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可提供給后端模塊導(dǎo)航進(jìn)行運(yùn)算。

圖1 X射線脈沖星仿真源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(dá)時(shí)間tx數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)間相位數(shù)據(jù)φx。若已知脈沖周期為T，則任意的光子到達(dá)時(shí)間均可表示為

tx=nT+φx

(1)

式中：n為整數(shù)；φx為tx/T的余數(shù)[13]。經(jīng)過一段時(shí)間后，將φx疊加到一個(gè)脈沖星周期時(shí)間范圍內(nèi)以形成歷元疊加。

在數(shù)據(jù)整合中，將一個(gè)脈沖周期T分為512等分，每個(gè)等分為一個(gè)BIN，即

BIN=T/512

(2)

式中：BIN為均等周期時(shí)間單位內(nèi)到達(dá)的光子數(shù)。對每個(gè)BIN里面的光子(每個(gè)φx表示一個(gè)光子)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)就可得出在該BIN里面的光子數(shù)。根據(jù)此統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用MATLAB工具繪制出一個(gè)脈沖周期內(nèi)512個(gè)BIN的光子數(shù)即可得到該脈沖星的脈沖輪廓。

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)出了MATLAB的數(shù)據(jù)處理程序*.m，并在*_tb.m的測試文件Text Bench中導(dǎo)入連續(xù)的64 000個(gè)精度為ns的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，得到脈沖星脈沖輪廓，如圖3所示。圖3(a)中，導(dǎo)入的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)是前端仿真源系統(tǒng)輸出的“巨蟹座”脈沖星(目前研究最多的一顆脈沖星)發(fā)射出的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)繪制出了該脈沖星的脈沖輪廓；圖3(b)為光機(jī)所的X射線脈沖星仿真源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(dǎo)航脈沖輪廓是一致的。

圖3 “巨蟹座”X射線脈沖星導(dǎo)航脈沖輪廓

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

3 硬件實(shí)現(xiàn)歷元疊加和數(shù)據(jù)整合

MATLAB 2013a版本推出了HDL Coder模塊[14]，利用該模塊可以實(shí)現(xiàn)FPGA和ASIC設(shè)計(jì)[15-16]。在純算法的硬件語言轉(zhuǎn)換方面，HDL Coder模塊與其他的硬件語言轉(zhuǎn)換工具(如Xilinx公司的HLS和AccelDSP硬件轉(zhuǎn)換工具)相比，具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確、語言簡潔的特點(diǎn)[17]。把MATLAB的程序轉(zhuǎn)換成HDL需要準(zhǔn)備兩個(gè)文件：*.m的function功能函數(shù)文件和*_tb.m的Text Bench文件。在MATLAB的HDL Coder的模塊中添加兩個(gè)文件，并在轉(zhuǎn)換成的定點(diǎn)文件添加相應(yīng)缺失的函數(shù)，優(yōu)化后即可轉(zhuǎn)換出VHDL硬件模塊。排除數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)采用的硬件開發(fā)平臺是XILINX公司推出的XUP Virtex-II Pro開發(fā)板。

圖4 硬件模塊轉(zhuǎn)換流程

Fig.4 Process of hardware module conversion

鑒于高速、占用資源要求少的設(shè)計(jì)要求，對數(shù)據(jù)綜合部分的硬件代碼進(jìn)行了大量優(yōu)化，去掉了多余的數(shù)組定義和相關(guān)運(yùn)算，并補(bǔ)充了相關(guān)的數(shù)據(jù)定義和算法。

在歷元疊加模塊還需要對每個(gè)BIN的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于每個(gè)BIN內(nèi)的光子個(gè)數(shù)都是不確定的，因此本次設(shè)計(jì)采用動態(tài)模數(shù)組對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；之后，再利用循環(huán)操作把所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)放入數(shù)組內(nèi)。這樣，在輸出端口只需依次讀出數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)就能得到整個(gè)脈沖輪廓的數(shù)據(jù)。狀態(tài)機(jī)克服了純硬件數(shù)組系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)，而且在高速運(yùn)算和控制方面也有巨大的優(yōu)勢[18-20]。目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)輸入輸出采用與輸入輸出信號同步的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)冗余的可能。本文用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了兩個(gè)狀態(tài)S0和S1，其中：狀態(tài)S0為信號上升沿觸發(fā)，即前端數(shù)據(jù)到來時(shí)為上升沿，此時(shí)可把前端數(shù)據(jù)依次放入數(shù)組，狀態(tài)S1則是等待上升沿的到來。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，有數(shù)據(jù)到來時(shí)才會執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入或者輸出，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。數(shù)據(jù)輸入輸出的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)輸入輸出的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

Fig.5 State machine designed for data input and output

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用MODELSIM 6.5對設(shè)計(jì)好的模塊進(jìn)行仿真。模塊前端輸入34位數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為圖3(a)中用于畫出脈沖星輪廓的64 000個(gè)光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式。得到仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。

圖6中，CP為數(shù)據(jù)讀入時(shí)鐘信號，該信號與前端FIFO的讀時(shí)鐘同步。a_unsigned數(shù)組存放的是64 000個(gè)光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)；y_tmp數(shù)組中512個(gè)標(biāo)號0～511的11位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即累積好的脈沖輪廓數(shù)據(jù)。如表1所示，可將y_tmp數(shù)組中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。

圖6 用MODELSIM進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)微差別。對比兩個(gè)脈沖輪廓數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，共有54對不同的數(shù)據(jù)，占總數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的9.48%，且在時(shí)間窗口內(nèi)誤差的最大值為2個(gè)光子數(shù)。兩組輪廓數(shù)據(jù)的誤差曲線如圖7(b)所示。

之所以會出現(xiàn)圖7(b)中所示的誤差，是因?yàn)镸ATLAB在整個(gè)運(yùn)算過程中都是采用雙精度的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理，而為了考慮計(jì)算的復(fù)雜度和運(yùn)算速度的問題，硬件處理的數(shù)據(jù)都是以整數(shù)類

表1 y_tmp數(shù)組中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

圖7 硬件處理結(jié)果及其誤差

Fig.7 Hardware processing results and errors

型進(jìn)行處理的。所以，在數(shù)據(jù)整合的過程中，硬件運(yùn)算的每個(gè)BIN的大小與MATLAB作圖時(shí)的BIN寬度不一致，因而會有光子數(shù)統(tǒng)計(jì)的誤差。

由于該硬件模塊采用的輸入輸出方式是基于狀態(tài)機(jī)的，因此，從目前的測試來看，只要光子到達(dá)的速度不超過21萬個(gè)數(shù)據(jù)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(xì)微誤差可以忽略不計(jì)，完全不影響整個(gè)脈沖輪廓的識別。這表明，設(shè)計(jì)好的歷元疊加和數(shù)據(jù)整合的硬件模塊，有較高的數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性和實(shí)用性。該模塊可根據(jù)后端模塊的需要累積一段時(shí)間的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)在數(shù)毫秒的時(shí)間內(nèi)得到脈沖輪廓累積數(shù)據(jù)，這要比把數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算后再得出結(jié)果的運(yùn)算方式快得多。

5 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)了一個(gè)處理前端光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)并形成TOA脈沖輪廓的硬件模塊，由于該模塊采用整數(shù)的數(shù)據(jù)類型運(yùn)算，所以處理得到的脈沖輪廓數(shù)據(jù)與MATLAB算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)有一定的誤差，但對于這樣的細(xì)微誤差可以忽略不計(jì)，不影響整個(gè)脈沖輪廓的識別以及后端模塊的導(dǎo)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(wèi)星中觀測的實(shí)際光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)的速度大約為5 000個(gè)數(shù)據(jù)每秒。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出該模塊的處理速度為21.3萬個(gè)數(shù)據(jù)每秒，高出RXTE衛(wèi)星觀測到的實(shí)際光子到達(dá)速度的41倍?？梢娫撃K能夠滿足實(shí)際的光子到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)處理速度并且運(yùn)行可靠、功耗低、質(zhì)量輕，能夠快速準(zhǔn)確地為后端導(dǎo)航模塊提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3) 由于脈沖星信號能流密度極低，累積時(shí)間受自然規(guī)律限制，在后續(xù)的研究工作中需要在該硬件模塊中添加計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的光子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)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(dǎo)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(dǎo)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(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間： 2015-06-03 14:47

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

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

吳亞平， 趙建軍， 吳光敏， 等. X射線脈沖星導(dǎo)航硬件脈沖輪廓累積研究[J]． 航空學(xué)報(bào), 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.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0164

V448.22； V448.23

：A

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