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基于X射线通信的火星黑障区定位方法研究及系统探测端研制

基于X射线通信的火星黑障区定位方法研究及系统探测端研制

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作者：党鹏南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航天技术的快速发展,火星着陆和巡视探测已成为深空探测的热点。火星黑障是着陆器在大气进入段内信号传输受到干扰甚至中断的一种特殊现象,由于黑障现象的存在,着陆器运动状态参数的实时精确观测受到极大限制。X射线单光子能量大、... 详细信息

随着航天技术的快速发展,火星着陆和巡视探测已成为深空探测的热点。火星黑障是着陆器在大气进入段内信号传输受到干扰甚至中断的一种特殊现象,由于黑障现象的存在,着陆器运动状态参数的实时精确观测受到极大限制。X射线单光子能量大、穿透性强,因此利用X射线进行定位信号传输有望解决火星黑障期间高精度位置信息获取的难题。本研究基于X射线通信技术提出一种面向火星黑障区的X射线定位方法,并围绕该方法开展定位性能评估及系统高灵敏X射线信号探测端研制。主要研究内容及成果如下:(1)提出了基于伪距测量和距离交汇原理的X射线定位方法,评估了火星黑障区X射线信号衰减特性,分析了方法的定位性能以及信号传输速率、信号功率需求等系统关键性能参数的影响。研究结果表明,能量为70 ke V的X射线光子可以维持定位信号传输链路稳定;当信号传输速率为50 kbps时,X射线定位方法的定位误差平均值为43.2 m;与常用硅漂移探测器(SDD)相比,LYSO-Si PM探测端能够在信号接收功率不超过1.95×10 W的情况下实现百米级定位精度,系统信号发射功率约为54 W。(2)探究了LYSO-Si PM探测端几何结构对闪烁光输出的影响规律,理论建模并分析了信噪比、误码率性能。针对能量最高达到120 ke V的X射线信号光子,利用蒙特卡罗程序Geant4仿真计算了LYSO闪烁光输出,确定其几何结构为3×3×3 mm;基于经典Personic理论建立了性能分析模型,该方案的信噪比随X射线信号光子能量、数据传输速率和信号接收功率的增加均逐渐上升,链路误码率相应的降低;对比分析了该方案与SDD的探测性能,当数据速率超过1 Mbps或光子能量达到120 ke V时,该方案的信噪比、误码率性能显著优于SDD。(3)搭建了LYSO-Si PM探测端原型并开展了X射线信号响应和传输性能测试。研究结果表明,探头模块能够有效响应重复频率为100 k Hz的脉冲X射线;基于同相放大电路、电压比较电路和可重复触发单稳态触发电路开发的信号处理电路能够有效实现信号放大、阈值判别和信号恢复;LYSO-Si PM探测端原型可响应Co、Am和Pu发射的17-122 ke V的特征射线,并且测试信噪比与理论计算值的偏差不超过4.8 d B;基于该模块原型搭建的X射线信号传输系统的误码率最小值可达到1.1×10,数据速率可达到57.6 kbps,满足百米级定位精度的速率需求。本研究创新性地提出了一种面向火星黑障区的X射线定位方法,从方案设计和信号探测技术的角度为X射线定位方法的发展提供了理论基础和设计参考,为解决未来火星高精度点着陆任务中的黑障区定位难题奠定了关键技术基础。

关键词：火星黑障 X射线通信 X射线定位信号探测 LYSO-SiPM探测模块

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