CN101941527A - 一种多传感器集成定姿系统结构 - Google Patents

Abstract

一种多传感器集成定姿系统结构，由L型铝质镂空主支架和蜂窝状钛合金外壳组成，两者之间通过螺钉连接成一个整体；L型铝质镂空主支架的两个基准面设计为正交L型，两基准面上留有16个螺纹安装孔，用于安装星敏感器、太阳敏感器、光纤陀螺、磁强计等姿态测量传感器；蜂窝状钛合金外壳通过焊接的方式连接成“U”型槽，外壳底部留有螺纹安装孔和接插件安装孔，螺纹安装孔用于安装低功耗综合定姿电路模块，接插件安装孔用于固定数据通讯接插件，保证由综合定姿电路模块解算的姿态信息与外部系统进行实时通信；进而为新一代对地观测卫星及分布式组网微小卫星提供高精度姿态；本发明体积小、重量轻、集成度高，具有重要的工程实用价值。

Description

一种多传感器集成定姿系统结构

技术领域

本发明涉及一种定姿结构，特别是一种可同时安装各类航天姿态测量传感器的集成定姿结构，该结构可安装在新一代对地观测卫星上或分布式组网探测微小卫星上，作为星上高集成度定姿装置。

背景技术

我国目前正处于经济持续快速增长和社会进步的战略机遇期，通信、导航及对地观测等领域对空间环境探测以及高分辨率对地观测数据的应用越来越多，而且它也是提高航天器可靠性的必要手段。相反，近地空间环境的监测、预报和高分辨率的对地实时观测对于航天安全、导航、通信等也具有重要的科学意义和应用价值。其中，高精度、高可靠的卫星姿态测量与控制系统已成为制约应用卫星进一步发展的瓶颈。

目前在卫星姿态测量方面，国内外大都采用星敏感器、太阳敏感器、地平仪等天体敏感器同惯性角速率传感器相组合的方式对航天器进行定姿，这不但会使体积、重量大，而且集成度低及处理系统冗余。2004年美国Draper实验室研制出了一种适用于微纳卫星定姿的组合定姿系统——惯性恒星罗盘；它集成了星敏感器、MEMS惯性角速率陀螺仪和处理系统三个部分，可提供不间断的姿态信息，但其惯性信息处理单元与星敏信息处理单元均是分开存在的，因而集成度不高，进而导致体积和功耗很难满足高性能定姿要求；而且结构复杂、没有固定安装基准，且集成传感器种类有限，无法满足各类环境条件的定姿需求。总之，由于存在上述缺陷目前集成定姿系统结构，故现有的定姿装置存在体积大、重量大、集成传感器种类有限、集成度不高等缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、集成度高、可靠性高的多传感器(至少四类传感器)集成定姿系统结构。

本发明的技术解决方案是：一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：由L型铝质镂空主支架(1)和蜂窝状钛合金外壳(2)组成；L型铝质镂空主支架(1)的两个基准面(9、10)为正交L型，即L型的两边所对应的基准面相互垂直，为安装在该结构上的传感器提供安装和测量基准；L型铝质镂空主支架(1)的两基准面(9、10)上留有16个螺纹安装孔，用于安装星敏感器(3)、太阳敏感器(4)、光纤陀螺(5)和磁强计(6)这四类姿态测量传感器；蜂窝状钛合金外壳(2)通过焊接的方式连接成“U”型槽，“U”型槽边缘的16个通孔与L型铝质镂空主支架凸台(11)上的16个螺纹孔通过螺钉安装的方式连接成一个整体；蜂窝状钛合金外壳(2)底部留有螺纹安装孔和接插件安装孔，螺纹安装孔用于安装综合定姿电路模块(7)，接插件安装孔用于固定数据通讯接插件(8)，保证由综合定姿电路模块(7)解算的姿态信息与系统外部进行实时通信，为新一代对地观测卫星及分布式组网微小卫星提供高精度姿态。

所述的星敏感器(3)的敏感光轴和太阳敏感器(4)的敏感光轴相互垂直安装，即夹角为90度，避免太阳光直射星敏感器，造成器件损坏。

所述的综合定姿电路模块(7)采集星敏感器(3)、太阳敏感器(4)、光纤陀螺(5)和磁强计(6)的测量信息，并将接收到的星光信息、太阳光信息、惯性角速率和地磁信息进行数据同步处理，最后利用先进信息融合方法完成高精度的姿态确定，实现集成于结构上的各传感器数据处理的综合集成。

所述的太阳敏感器(4)安装在L型铝质镂空主支架(1)外框架所在的基准面(10)上的定位孔(1003)中；磁强计(6)安装在L型铝质镂空主支架(1)内框架所在的基准面(10)上的定位孔(1005)中；光纤陀螺(5)安装在磁强计(6)正上方的定位孔(1004)中；星敏感器(3)安装在光纤陀螺(5)右侧的定位孔(1002)中。

所述L型铝质镂空主支架(1)与蜂窝状钛合金外壳(2)之间通过凸台(11)上的16个螺纹孔进行定位并连接成一个整体，其中8个螺纹孔为凸台(11)上的(1000)，其余8个为凸台(11)上(1000)对称于平面XOZ的螺纹孔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)L型铝质镂空主支架的正交L型内镂空设计，在给各敏感器提供安装基准面的同时，减轻了结构的总体重量，并有效地提高了结构的集成度。

(2)星敏感器的敏感光轴和太阳敏感器的敏感光轴夹角设计为90度，避免了太阳光对星敏感器的干扰和烧损，同时方便轨道坐标系的计算。

(3)蜂窝状钛合金外壳采用蜂窝式结构，在保证结构完整性的基础上，又加强了结构的整体刚度和减轻了本身重量，同时，钛合金材料可防外界磁干扰，实现结构内部的磁环境屏蔽。

(4)蜂窝状钛合金外壳底部固连的高集成度、低功耗综合定姿电路模块，综合定姿电路模块功能是将接收到的星光信息、太阳光信息、惯性信息和地磁信息进行采集与处理，然后通过先进信息融合方法，实现系统的高精度高可靠姿态确定；解算出来的姿态数据通过蜂窝状钛合金外壳底部的数据通讯接口实现与外部设备的通讯，在保证不同设备间数据正常通讯的同时，既方便了结构走线，又提高了系统的集成度，为新一代对地观测卫星的高分辨率对地观测及分布式组网微小卫星的高效空间环境探测提供高精度实时姿态。

(5)本发明体积小、重量轻、集成度高，具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明整体结构的爆炸示意图；

图2为本发明L型铝质镂空主支架内框架轴向截面图及其对应坐标系的方向；

图3为本发明L型铝质镂空主支架外框架轴向截面图及其对应坐标系的方向；

图4为本发明的蜂窝状钛合金外壳轴向截面图及其对应坐标系的方向；

图5为本发明的蜂窝状钛合金外壳底部截面图及其对应坐标系的方向。

具体实施方式

本发明的具体实施结构如图1所示，它由L型铝质镂空主支架1和蜂窝状钛合金外壳2组成，L型铝质镂空主支架1用于安装星敏感器3、太阳敏感器4、光纤陀螺5和磁强计6这四种姿态测量传感器；蜂窝状钛合金外壳2通过焊接的方式连接成“U”型槽，其用途是安装低功耗综合定姿电路模块7和数据通讯接插件8。

如图2所示，为本发明L型铝质镂空主支架1的内框架轴向截面图，内框架周围留有一圈凸台11，通过凸台11上的16个螺钉孔1000安装蜂窝状钛合金外壳2，位于X轴和Z轴的平面组成内框架的L型基准面，其中Z基准面(Z轴所在的基准面)上的螺钉孔1005用于安装磁强计6。

如图3所示，为本发明L型铝质镂空主支架1的外框架轴向截面图，位于X轴和Z轴的平面组成外框架的L型基准面，其中X基准面(X轴所在的基准面)外围的四个凸台1001为整个结构的安装基座，X基准面上的四个凹台1002及螺纹孔用于安装星敏感器3，四个内凸台1004及螺纹孔用于安装光纤陀螺5。Z基准面(Z轴所在的基准面)上的四个螺纹孔1003用于安装太阳敏感器4。特别地，安装好的星敏感器3的敏感光轴与太阳敏感器4的敏感光轴的安装为90度，可以有效地避免太阳光对星敏感器的干扰、烧损和方便轨道坐标系的计算。

如图4所示，为本发明的蜂窝状钛合金外壳2轴向截面图，蜂窝状钛合金外壳2与L型铝质镂空主支架1通过16个螺钉孔2000连接为一整体。蜂窝状钛合金外壳2的A、B两处通过焊接的方式连接成“U”型槽，使整体结构变为半包围结构，特别地，蜂窝状结构在保证结构完整性的基础上，又加强了结构的整体刚度和减轻了本身重量，钛合金材料可防外界磁干扰，实现结构内部的磁环境屏蔽；

如图5所示，为本发明的蜂窝状钛合金外壳2底部截面图，蜂窝状钛合金外壳底部2通过四个螺钉孔2001固定综合定姿电路模块7，它可采集安装于L型铝质镂空主支架1上的星敏感器3、太阳敏感器4、光纤陀螺5、磁强计6等各类姿态测量传感器的测量信息，即星光信息、太阳光信息、惯性角速率和地磁信息等，首先对它们进行数据平滑去噪、多项式校正和实时补偿等预处理操作，后以星光数据为基准，其他三类数据采用拟合和差值的方法与星光数据进行时间同步，再利用遗传无迹粒子滤波方法，即利用遗传算法优选无迹粒子滤波过程中的优等粒子来避免粒子枯竭问题，对星光信息、太阳光信息、惯性角速率和地磁信息进行多源数据的信息融合，完成高精度的姿态确定，实现集成于结构上的各传感器数据处理的综合集成，最后通过数据通讯接插件8实现系统间通信，其中数据通讯接插件8安装在蜂窝状钛合金外壳2底部的接插件安装孔2002处。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：由L型铝质镂空主支架(1)和蜂窝状钛合金外壳(2)组成；L型铝质镂空主支架(1)的两个基准面(9、10)为正交L型，即L型的两边所对应的基准面相互垂直，为安装在该结构上的传感器提供安装和测量基准；L型铝质镂空主支架(1)的两基准面(9、10)上留有16个螺纹安装孔，用于安装星敏感器(3)、太阳敏感器(4)、光纤陀螺(5)和磁强计(6)这四类姿态测量传感器；蜂窝状钛合金外壳(2)通过焊接的方式连接成“U”型槽，“U”型槽边缘的16个通孔与L型铝质镂空主支架凸台(11)上的16个螺纹孔通过螺钉安装的方式连接成一个整体；蜂窝状钛合金外壳(2)底部留有螺纹安装孔和接插件安装孔，螺纹安装孔用于安装综合定姿电路模块(7)，接插件安装孔用于固定数据通讯接插件(8)，保证由综合定姿电路模块(7)解算的姿态信息与系统外部进行实时通信，为新一代对地观测卫星及分布式组网微小卫星提供高精度姿态。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：所述的星敏感器(3)的敏感光轴和太阳敏感器(4)的敏感光轴相互垂直安装，即夹角为90度，避免太阳光直射星敏感器，造成器件损坏。

3.根据权利要求1所述的一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：所述综合定姿电路模块(7)采集星敏感器(3)、太阳敏感器(4)、光纤陀螺(5)和磁强计(6)的测量信息，并将接收到的星光信息、太阳光信息、惯性角速率和地磁信息进行数据同步处理，最后利用先进信息融合方法完成高精度的姿态确定，实现集成于结构上的各传感器数据处理的综合集成。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：所述的太阳敏感器(4)安装在L型铝质镂空主支架(1)外框架所在的基准面(10)上的定位孔(1003)中；磁强计(6)安装在L型铝质镂空主支架(1)内框架所在的基准面(10)上的定位孔(1005)中；光纤陀螺(5)安装在磁强计(6)正上方的定位孔(1004)中；星敏感器(3)安装在光纤陀螺(5)右侧的定位孔(1002)中。

5.根据权利要求1所述的一种多传感器集成定姿系统结构，其特征在于：所述的L型铝质镂空主支架(1)与蜂窝状钛合金外壳(2)之间通过凸台(11)上的16个螺纹孔进行定位并连接成一个整体，其中8个螺纹孔为凸台(11)上的(1000)，其余8个为凸台(11)上(1000)对称于平面XOZ的螺纹孔。

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