CN102735264B - 一种星敏感器故障模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器故障模拟系统，包括恒星模拟器、三轴转台、星敏感器、气浮平台、转台控制模块、恒星模拟器控制模块、图像采集和姿态计算模块、故障模拟控制模块；星敏感器实现光学成像，恒星模拟器实现太空星图模拟、三轴转台实现卫星姿态抖动模拟，气浮平台隔离外部震动对恒星模拟器的影响，图像采集和姿态计算模块实现图像采集和处理并计算出卫星姿态，故障模拟控制模块实现整个系统各个模块的配置、故障模式配置和故障模拟流程控制。本发明可实现星敏感器的故障模拟，通过恒星模拟器模拟星空的外部环境实现杂光干扰产生星敏感器故障，通过控制转台的运动实现卫星姿态抖动对星敏感器的故障模拟。

Description

一种星敏感器故障模拟系统

技术领域

本发明属于卫星故障物理仿真领域，涉及一种星敏感器故障的模拟系统，适用于卫星控制系统故障诊断与处理的验证。

背景技术

星敏感器通过观察恒星的方位以及亮度，查询星历表后确定卫星的姿态信息，精度可达到角秒级。星敏感器是确定卫星姿态信息的重要部件，当星敏感器出现故障时必须能准确的定位故障发生点和给出故障处理方案，避免影响卫星的正常工作。因此星敏感器各种故障工况必须在地面进行充分的仿真和验证，为卫星控制系统地面故障诊断和处理方法验证提供充分的支持。

现有的卫星控制系统中敏感器、执行机构和卫星动力学关系全部采用数学模型，星敏感器的故障模拟仅采用敏感器的故障数学模型，首先故障的复杂性使得很难建立准确的数学模型，也不能反映不同故障点的物理表征，并且缺乏星敏感器的实际遥测数据、故障模拟的有效性难以保证，其次星敏感器的故障主要由外部环境造成的，比如空间杂光的影响，卫星抖动等因素，不能用数学仿真来实现，因此现有的故障模拟方法不能适应卫星控制系统地面故障诊断和处理方法验证的需要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星敏感器故障模拟系统，实现了星敏感器的故障模拟功能，增强了在轨卫星控制系统地面故障诊断和处理技术验证的真实性和可靠性。

本发明的技术解决方案是：

一种星敏感器故障模拟系统，包括恒星模拟器、三轴转台、星敏感器、图像采集和姿态计算模块、气浮平台、转台控制模块、恒星模拟器控制模块和故障模拟控制模块，星敏感器安装在三轴转台上，恒星模拟器安装在气浮平台上；

故障模拟控制模块发送指令给恒星模拟器控制模块，恒星模拟器控制模块接收到指令后驱动恒星模拟器进行太空星图模拟，并且加入杂光干扰，生成带噪声的星图；故障模拟控制模块发送指令给转台控制模块，转台控制模块接收到指令之后驱动三轴转台抖动，并将三轴转台抖动的角度和抖动的角速度提供给故障模拟控制模块；

故障模拟控制模块发送指令给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收到指令之后给星敏感器发送采集指令，星敏感器对恒星模拟器生成的带噪声的星图成像，并将所述星图成像结果和星敏感器自身的遥测数据发送给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收星图成像结果后计算模拟的卫星姿态，然后将该模拟的卫星姿态数据和星敏感器自身的遥测数据发送给故障模拟控制模块。

所述三轴转台实现卫星姿态抖动模拟，气浮平台用于隔离外部震动对恒星模拟器的影响。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出星敏感器故障模拟系统具有模拟效果真实、故障注入手段全面、实时性好、精度高、试验可操作性强，能够同时模拟杂光干扰、背景噪声、长时间飘移的特点；

(2)本发明把星敏感器的故障原因划分为外部环境造成的星敏感器测量结果不准确(故障)和卫星本体姿态抖动造成的星敏感器测量结果不准确(故障)，便于对故障原因的分析和故障点的精确定位。并且本系统具有星敏感器故障实时、多次复现的能力，对星敏感器的状态信息实时监控。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提供了一种星敏感器故障模拟系统，用于卫星故障诊断与处理方法地面仿真验证，给卫星上星敏感器输出信号人为加噪声、长期飘移，使得在地面上模拟在轨卫星上的星敏感器真实故障特性，克服了传统的故障模拟试验系统通用性差、非实时、逼真度低的特点。因此，可以应用于在轨航天器地面故障诊断和容错控制系统的地面物理仿真试验，确保在轨航天器故障诊断系统的有效性，提高地面仿真试验的可信度。

如图1所示，本发明提供了一种星敏感器故障模拟系统，包括恒星模拟器、三轴转台、星敏感器、图像采集和姿态计算模块、气浮平台、转台控制模块、恒星模拟器控制模块和故障模拟控制模块，星敏感器安装在三轴转台上，恒星模拟器安装在气浮平台上；

星敏感器实现光学成像，恒星模拟器实现太空星图模拟、三轴转台实现卫星姿态抖动模拟，气浮平台用于隔离外部震动对恒星模拟器的影响，故障模拟控制模块实现整个系统各个模块的配置、故障模式配置和故障模拟流程控制。

故障模拟控制模块发送指令给恒星模拟器控制模块，恒星模拟器控制模块接收到指令后驱动恒星模拟器进行太空星图模拟，并且加入杂光干扰，生成带噪声的星图；故障模拟控制模块发送指令给转台控制模块，转台控制模块接收到指令之后驱动三轴转台抖动，用于模拟卫星姿态抖动，并将三轴转台抖动的角度和抖动的角速度提供给故障模拟控制模块；

故障模拟控制模块发送指令给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收到指令之后给星敏感器发送采集指令，星敏感器对恒星模拟器生成的带噪声的星图成像，并将所述星图成像结果和星敏感器自身的遥测数据发送给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收星图成像结果后计算模拟的卫星姿态，然后将该模拟的卫星姿态数据和星敏感器自身的遥测数据发送给故障模拟控制模块，这样也就是实现了星敏感器故障的模拟，本发明中所谓星敏感器的故障，并不是指星敏感器硬件电路或者光学系统器件的故障，而是指星敏感器测量结果不准确，用以模拟星敏感器在轨时的实际情况。同时，当卫星在轨运行时，卫星上的星敏感器对恒星成像生成星图时，必然会受到空间杂光的影响，因此，本系统中的恒星模拟器也加入了杂光。气浮平台用于隔离外部震动对恒星模拟器的影响，使得恒星模拟器的噪声来源仅仅为杂光，便于分析。

本发明中恒星模拟器采用高精度大口径静态可变目标标准源。主要由可变星相分布甚高精密靶标和可变星等弱目标模拟照明系统两部分组成。靶标由基底遮光膜上按一定坐标位置分布的121个圆形通孔构成；通过单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统，在靶标上可形成不同的星图；星的等级依据光亮度由恒星模拟器控制模块设定。

本发明中的三轴转台主要是根据转台控制模块的指令下实现卫星姿态抖动。三轴转台的台体由基座、外环、中环、内环轴组成，三轴均可进行360度连续全回转，星敏感器安装在转台的内环平台上。

本发明中的气浮台用于安装和支撑恒星模拟器，保证恒星模拟器光路不受外部震动影响，选用了ZDT型自动平衡精密隔振光学平台。隔振支撑采用超薄复合材料气囊、自定心准无摩擦球头摆杆和带附加扩散口的多小孔准层流阻尼技术，隔振性能良好。自动水平、白动充气，静音空气压缩机气源，噪声低。

本发明中的星敏感器实现光学成像，由光学系统模块和电路处理系统模块组成，光学系统模块采用两反射镜加孔径校正器的光学镜头结构型式，镜头承力采用一种模块集成一体化的结构布局方案。电路处理系统模块，通过CCD敏感元件采集视频信号，进行去直流、放大、增益变换、采样保持、AD转换处理后转换成数字信号，传送给图像采集和姿态计算模块。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种星敏感器故障模拟系统，包括恒星模拟器、三轴转台、星敏感器、气浮平台、转台控制模块和恒星模拟器控制模块，星敏感器安装在三轴转台上，恒星模拟器安装在气浮平台上，其特征在于还包括：图像采集和姿态计算模块和故障模拟控制模块；

故障模拟控制模块发送指令给恒星模拟器控制模块，恒星模拟器控制模块接收到指令后驱动恒星模拟器进行太空星图模拟，并且加入杂光干扰，生成带噪声的星图；故障模拟控制模块发送指令给转台控制模块，转台控制模块接收到指令之后驱动三轴转台抖动，并将三轴转台抖动的角度和抖动的角速度提供给故障模拟控制模块；

故障模拟控制模块发送指令给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收到指令之后给星敏感器发送采集指令，星敏感器对恒星模拟器生成的带噪声的星图成像，并将所述星图成像结果和星敏感器自身的遥测数据发送给图像采集和姿态计算模块，图像采集和姿态计算模块接收星图成像结果后计算模拟的卫星姿态，然后将该模拟的卫星姿态数据和星敏感器自身的遥测数据发送给故障模拟控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器故障模拟系统，其特征在于：所述三轴转台实现卫星姿态抖动模拟，气浮平台用于隔离外部震动对恒星模拟器的影响。