CN109506656A - 一种高精度在轨姿态信息下传还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度在轨姿态信息下传还原方法，在不扩展星上硬件资源的情况下，将星敏感器、惯性基准单元原始信息及其有效状态字、时间戳等信息以高于星载软件控制周期的频率采集、下传及地面还原。该方法适用于载荷对卫星姿态的更新频率要求较高，但又受制于软件运行周期或没有快速下传通道的情况。

Description

一种高精度在轨姿态信息下传还原方法

技术领域

本发明涉及一种高精度在轨姿态信息下传还原方法，属于卫星姿态控制系统星载软件设计与姿态数据应用技术领域。

背景技术

随着民用航天技术与应用需求的发展，载荷的研制技术与数据处理要求也越来越高。载荷空间分辨率与图像定位精度要求的提高，不仅对其自身技术发展提出要求，还需要星地一体化处理技术的提高。

采用星地一体化几何校正处理技术，在地面根据平台姿态信息对遥感数据进行处理，可以修正轨道、姿态、变形等因素给载荷成像带来的影响。如某高光谱载荷，空间分辨率20m～30m，图像定位精度优于200m，为保证图像景内的相对几何精度，星地一体化给卫星平台提出了姿态更新率不低于4Hz的要求。

载荷图像定位需要的姿态信息包括星敏感器原始数据及原始数据产生时刻的UTC时间。目前很多星敏感器本身不具备提供UTC时间的功能，需要星载软件根据采集的单机信息结合系统信息处理出UTC时间后下传。

卫星姿控系统由于功能复杂，星载软件控制周期通常是0.5s，包括了测量信息采集、解算、故障诊断、姿态融合输出、控制律解算、系统内部与外部通讯等等，此外，由于整星资源的限制，星敏感器的原始信息及对应的UTC时间一般放在16s或32s更新的工程遥测中下传，显然不能满足地面图像配准的需求。目前解决星敏感器等姿态信息遥测更新速度慢的方法，主要是星上增加LVDS接口，星载软件直接将数据发送到数传分系统，通过数传通道下传。

发明内容

本发明的解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度在轨姿态信息下传还原方法，在星载软件控制周期有限和卫星硬件资源不宜扩展的情况下，通过对星载软件分时设计、以及对卫星姿态信息原始数据中核心要素的提取与地面还原方法设计，满足载荷地面图像配准对卫星高精度姿态更新率与数据精度的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，包括以下步骤：

(1)将星载软件的一个运行周期拆分为奇、偶两拍，奇偶拍分别采集星敏感器、惯性基准单元的原始测量信息；奇、偶两拍分别为0.25s；

(2)从原始测量信息中提取星敏感器、惯性基准单元姿态信息中的关键参数；关键参数包括：星敏感器原始四元数、曝光时差、星敏感器RTS下降沿时刻本地钟、星敏感器RTS下降沿时刻锁存的最后一次同步信号脉冲发出时的本地钟、单拍内系统钟与本地钟的时间差、星敏感器状态字、惯性基准单元的原始测量信息、状态字。

系统钟表示星载软件的时刻，采用UTC时间，与GPS时间保持一致；本地钟表示计算机硬件系统本身的时间，使用该时间记录向星敏感器发送指令的时刻。在一个0.25s内，系统钟与本地钟的时间差恒定。星敏感器的状态字表示当前星敏感器是否有效，用于地面判断传送的四元数原始数据是否可用。星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间是指：星载计算机向星敏感器发送同步脉冲时锁存的时刻。

(3)存储多次提取出的关键参数，并进行组包，以预设频率通过总线对外发送；具体为：每0.25s在计算机缓存中存储一组数据，每4组数据组成一组源包，以1s的周期向数传发送。

组成源包时，按照如下形式进行：

(4)地面系统接收后解包，重新还原星敏感器原始信息对应的UTC时间。

具体为：

(4.1)计算星敏感器曝光时刻的本地钟Tmeas_a

其中，offset_RTS＝T_{RTS_a}-T_{pps_a}，T_{RTS_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间，T_{pps_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻锁存的最后一次同步信号发出时刻的本地钟时间，ΔT_{datation_a}为星敏感器的原始曝光时差；

(4.2)计算星敏感器曝光时刻的系统钟T_{ss_a}，系统钟T_{ss_a}即为与地面处理一致的UTC时间；

T_{ss_a}＝T_{meas_a}+ΔT_s，

其中，ΔT_s为单拍内系统钟与本地钟的时间差。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明方法不需要增加LVDS硬件资源，仅需利用星上现有的总线通道；

(2)本发明星载软件的算法简单，不需增加太多代码，不需要改变软件控制周期，既可实现对星敏感器、陀螺数据的高频采集与传送，又不影响软件可靠性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。

如图1所示，本发明提出了一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，包括以下步骤：

(1)将星载软件的一个运行周期拆分为奇、偶两拍，奇偶拍分别采集星敏感器、惯性基准单元的原始测量信息；本发明中奇、偶两拍分别为0.25s。

(2)从原始测量信息中提取星敏感器、惯性基准单元姿态信息中的关键参数；所述关键参数包括：星敏感器原始四元数、曝光时差、星敏感器RTS下降沿时刻本地钟、星敏感器RTS下降沿时刻锁存的最后一次同步信号脉冲发出时的本地钟、单拍内系统钟与本地钟的时间差、星敏感器状态字、惯性基准单元的原始测量信息、状态字。

系统钟表示星载软件的时刻，采用UTC时间，与GPS时间保持一致；本地钟表示计算机硬件系统本身的时间，使用该时间记录向星敏感器发送指令的时刻。一个0.25s内，系统钟与本地钟的时间差恒定。

星敏感器的状态字表示当前星敏感器是否有效，用于地面判断传送的四元数原始数据是否可用。

星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间是指：星载计算机向星敏感器发送同步脉冲时锁存的时刻。

(3)存储多次提取出的关键参数，并进行组包，以预设频率对外发送；

每0.25s在计算机缓存中存储一组数据，每4组数据组成一组源包，响应1s周期的总线中断发送出。

组成源包时，按照如下形式进行：

(4)地面系统接收后解包，重新还原星敏感器、惯性基准单元的姿态信息。

具体为：

(4.1)计算星敏感器曝光时刻的本地钟Tmeas_a

其中，offset_RTS＝T_{RTS_a}-T_{pps_a}，T_{RTS_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间，T_{pps_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻锁存的最后一次同步信号发出时刻的本地钟时间，ΔT_{datation_a}为星敏感器的原始曝光时差；

(4.2)计算星敏感器曝光时刻的系统钟T_{ss_a}，系统钟T_{ss_a}即为与地面处理一致的UTC时间；

T_{ss_a}＝T_{meas_a}+ΔT_s，

其中，ΔT_s为单拍内系统钟与本地钟的时间差；

接下来即可将星敏感器a、b数据进行融合，获取指向。

实施例：

某卫星带有两台进口ASTRO10星敏感器，分别命名为星敏感器a、b。由于产品设计特点，单机不能提供原始四元数产生时刻的UTC时间，因此系统在接下来的关键参数提取与组包中加入多个时钟，通过地面处理获取星敏感器a、b原始四元数产生时刻的UTC时间。

1.奇、偶拍分别与向星敏感器a、b发出RTS信号请求数据，并接收返回数据；

2.提取以下的关键参数：

1)单拍内系统钟与本地钟的时间差△Ts：系统钟表示星载软件的时刻，采用UTC时间，与GPS时间保持一致。本地钟表示计算机硬件系统本身的时间，使用该时间记录向星敏感器发送指令的时刻以及计算曝光时差。一个0.25s内，可以认为系统钟与本地钟的时间差是恒定的；

2)星敏感器a、b RTS信号下降沿时刻的本地钟时间T_{RTS_a}、T_{RTS_b}：星载计算机向星敏感器a、b发送同步脉冲时锁存的时刻；

3)星敏感器a、b RTS信号下降沿时刻锁存的最后一次同步信号发出时刻的本地钟时间T_{pps_a}、T_{pps_b}；

4)星敏感器a、b的原始曝光时差△T_{datation_a}、△T_{datation_b}

5)星敏感器a、b的状态字：表示当前星敏感器是否有效，用于地面判断传送的四元数原始数据是否可用；

6)星敏感器a、b的原始四元数：从单机采集的原始测量值，星地一体化处理需要的主要内容之一；

7)陀螺三轴惯性测量值：当前选用的陀螺的惯性系角速度，星地一体化处理需要的主要内容之一；

8)陀螺的健康状态：控制系统利用星上逻辑对陀螺数据进行的诊断结果，用于地面判断传送的惯性角速度是否可用。

3.组包与发送

按照数传源包的格式增加包头、包尾，每1s组成一组数传源包。

组包格式如下：

4.信息还原

地面根据源包需要还原的主要是星敏感器的信息，以星敏感器a为例：

1)计算星敏感器曝光时刻的本地钟T_{meas_a}

公式(1)中offset_{_RTS}＝T_{RTS_a}-T_{pps_a}

2)计算星敏感器曝光时刻的系统钟T_{ss_a}

T_{ss_a}＝T_{meas_a}+ΔT_s (2)

系统钟T_{ss_a}即为与地面处理一致的UTC时间

3)同样的方法得到星敏感器b的原始四元数对应的UTC时间，若有更多星敏感器，可采用类似方法处理。

接下来可以将星敏感器a、b数据进行融合，获取高精度指向。

综上所述，本发明通过对星载软件时序规划和星敏感器关键参数的设计，卫星在轨运行时通过软件分时采集、高精度姿态信息地面还原的方法，解决了星敏感器、陀螺的原始数据及时间信息因受限于星载软件能力而只能低频下传的问题。该方法星载软件容易实现，并充分利用了星上总线通讯资源，避免了硬件LVDS通道需求。

Claims (10)

1.一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将星载软件的一个运行周期拆分为奇、偶两拍，奇偶拍分别采集星敏感器、惯性基准单元的原始测量信息；

(2)从原始测量信息中提取星敏感器、惯性基准单元姿态信息中的关键参数；

(3)存储多次提取出的关键参数，并进行组包，以预设频率通过总线对外发送；

(4)地面系统接收后解包，重新还原星敏感器原始信息对应的UTC时间。

2.根据权利要求1所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：奇、偶两拍分别为0.25s。

3.根据权利要求1所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：所述关键参数包括：星敏感器原始四元数、曝光时差、星敏感器RTS下降沿时刻本地钟、星敏感器RTS下降沿时刻锁存的最后一次同步信号脉冲发出时的本地钟、单拍内系统钟与本地钟的时间差、星敏感器状态字、惯性基准单元的原始测量信息、状态字。

4.根据权利要求3所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：系统钟表示星载软件的时刻，采用UTC时间，与GPS时间保持一致；本地钟表示计算机硬件系统本身的时间，使用该时间记录向星敏感器发送指令的时刻。

5.根据权利要求4所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：一个0.25s内，系统钟与本地钟的时间差恒定。

6.根据权利要求3所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：星敏感器的状态字表示当前星敏感器是否有效，用于地面判断传送的四元数原始数据是否可用。

7.根据权利要求3所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间是指：星载计算机向星敏感器发送同步脉冲时锁存的时刻。

8.根据权利要求1所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：所述步骤(3)进行组包，以预设频率对外发送，具体为：每0.25s在计算机缓存中存储一组数据，每4组数据组成一组源包，以1s的周期向数传发送。

9.根据权利要求8所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：组成源包时，按照如下形式进行：

10.根据权利要求1所述的一种高精度在轨姿态信息下传与还原方法，其特征在于：所述步骤(4)地面接收后解包，重新还原星敏感器原始信息对应的UTC时间，具体为：

(4.1)计算星敏感器曝光时刻的本地钟Tmeas_a

其中，offset_RTS＝T_{RTS_a}-T_{pps_a}，T_{RTS_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻的本地钟时间，T_{pps_a}为星敏感器RTS信号下降沿时刻锁存的最后一次同步信号发出时刻的本地钟时间，ΔT_{datation_a}为星敏感器的原始曝光时差；

(4.2)计算星敏感器曝光时刻的系统钟T_{ss_a}，系统钟T_{ss_a}即为与地面处理一致的UTC时间；

T_{ss_a}＝T_{meas_a}+ΔT_s，

其中，ΔT_s为单拍内系统钟与本地钟的时间差。