CN103033196A

CN103033196A - 一种aps星敏感器电子星空模拟器

Info

Publication number: CN103033196A
Application number: CN2012105442818A
Authority: CN
Inventors: 王玉峰; 吴小明; 王浩; 谢军; 徐菁宇; 刘新彦; 钟红军; 黄欣
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN103033196B

Abstract

一种APS星敏感器电子星空模拟器，包括：DSP、FPGA、RAM和LVDS接口电路；DSP接收外部输入的所述APS星敏感器的姿态数据并计算生成星图，之后将星图数据通过FPGA存储到RAM中，FPGA再通过LVDS接口电路将RAM中存储的星图数据输出。电子星空模拟器产生动态星图，模拟星敏感器探头输出的图像激励星敏感器线路盒。电子星空模拟器没有复杂的光学系统，不需要高精度的机械加工，使用时也不需要精确安装，输出的电子星图星点位置精度高，可用于分系统、整星和靶场测试。

Description

一种APS星敏感器电子星空模拟器

技术领域

本发明涉及一种APS星敏感器电子星空模拟器，属于卫星控制分系统地面测试研究领域。

背景技术

当前卫星使用的姿态敏感器主要有地球敏感器、太阳敏感器、陀螺、星敏感器。陀螺测量相对姿态，确定姿态时必须有初值。地球敏感器、太阳敏感器和星敏感器直接测量姿态。地球敏感器一般测量滚动和俯仰姿态；太阳敏感器一般只测两轴姿态，多个太阳敏感器组合可以实现三轴姿态测量；星敏感器测量三轴姿态。地球敏感器和太阳敏感器在全天球只有地球或太阳进入视场内才能测量姿态，星敏感器可以实现全天球姿态测量。星敏感器全天球提供高精度三轴姿态的优点使得越来越多的卫星选用星敏感器作为姿态测量部件。

卫星地面测试是卫星研制过程中的重要环节，测试主要分为分系统、整星、靶场三个阶段。星敏感器作为姿态测量的主要部件，对其测试的充分性和有效性需要重点关注。当前星敏感器常用的测试手段有静态星空模拟器(Static StarSimulator)、动态星空模拟器(Dynamic Star Simulator)和电子星空模拟器(Electrical Star Simulator)。

静态星空模拟器产生静态星图，考察星敏感器的光路和电路性能。静态星空模拟器结构简单、易于安装使用、能同时考察光电性能、成本低、可用于分系统、整星和靶场测试。缺点是不能考察星敏感器动态性能，不能构成闭路测试。

动态星空模拟器产生动态星图，可以考察星敏感器动态光学和电性能，能构成闭环回路。动态星空模拟器小型化难度大、安装精度要求较高、安装机构复杂、成本较高，可用于在分系统测试，整星和靶场测试困难。

现有的电子星空模拟器一般采用PC机和扩展板实现，体积大，结构复杂，运行稳定性不够，星点精度低，不能满足要求。

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APS星敏感器电子星空模拟器。

本发明的技术解决方案是：

一种APS星敏感器电子星空模拟器，包括：DSP、FPGA、RAM和LVDS接口电路；

DSP接收外部输入的所述APS星敏感器的姿态数据并计算生成星图，之后将星图数据通过FPGA存储到RAM中，FPGA再通过LVDS接口电路将RAM中存储的星图数据输出；

DSP通过FPGA向RAM中存储数据和FPGA从RAM中读取数据为乒乓存储方式。

所述DSP中计算生成星图具体通过如下步骤进行：

(3.1)DSP根据接收到的外部输入的所述APS星敏感器的姿态数据进行光轴指向计算，得到光轴在地心惯性坐标系下的单位矢量；

(3.2)从纬度圈内找到距离步骤(3.1)中得到的光轴最近的两个纬度圈，然后在这两个纬度圈内查找距离光轴最近的2个索引点，最后对每个索引点所在网格内的导航星矢量和光轴的单位矢量进行点乘运算，保留在视场内的导航星；所述索引点是指以经度和纬度划分的网格的几何中心；

(3.3)将步骤(3.2)中保留的导航星的矢量坐标[X_i Y_i Z_i]^T转换成在所述APS星敏感器焦平面上二维坐标[U V]^T；

(3.4)通过公式

μ_{i} (x, y) = \frac{1}{\sqrt{2 π} σ} \exp | - \frac{{(x - x_{0})}^{2} + {(y - y_{0})}^{2}}{{2 σ}^{2}} |

计算弥散斑μ_i(x，y)，其中，x₀＝U，y₀＝V，x取值(p-1)，p，(p+1)，y取值(q-1)，q，(q+1)，p为不大于U的最小整数，q为不大于V的最小整数，σ＝0.45；所述弥散斑和预置的背景星图即为DSP中计算生成的星图。

所述步骤(3.1)中进行光轴指向计算具体为：

通过公式

{\overset{&RightArrow;}{C}}_{0} = [\begin{matrix} 2 (q_{1} q_{3} + q_{2} q_{0}) \\ 2 (q_{2} q_{3} - q_{1} q_{0}) \\ - q_{1}^{2} - q_{2}^{2} + q_{3}^{2} + q_{0}^{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix}]

计算得到光轴在地心惯性坐标系下的单位矢量

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为所述APS星敏感器的姿态四元数，a₁、a₂、a₃为单位矢量

的三轴坐标。

所述步骤(3.3)通过如下步骤进行：

(1)通过公式

[\begin{matrix} X_{s} \\ Y_{s} \\ Z_{s} \end{matrix}] = C_{si} \cdot [\begin{matrix} X_{i} \\ Y_{i} \\ Z_{i} \end{matrix}]

将步骤(3.2)中保留的导航星的矢量坐标[X_i Y_i Z_i]^T转换成APS星敏感器测量坐标系O_s-X_sY_sZ_s中的坐标[X_s Y_s Z_s]^T，其中，转换矩阵C_si为姿态矩阵，

C_{si} = [\begin{matrix} q_{1}^{2} - q_{2}^{2} - q_{3}^{2} + q_{0}^{2} & 2 (q_{1} q_{2} + q_{3} q_{0}) & 2 (q_{1} q_{3} - q_{2} q_{0}) \\ 2 (q_{1} q_{2} - q_{3} q_{0}) & - q_{1}^{2} + q_{2}^{2} - q_{3}^{2} + q_{0}^{2} & 2 (q_{2} q_{3} + q_{1} q_{0}) \\ 2 (q_{1} q_{3} + q_{2} q_{0}) & 2 (q_{2} q_{3} - q_{1} q_{0}) & - q_{1}^{2} - q_{2}^{2} + q_{3}^{2} + q_{0}^{2} \end{matrix}],

[X_i Y_i Z_i]^T为导航星在惯性系下的方向矢量；

(2)通过公式

[\begin{matrix} U \\ V \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 1}^{5} a_{i} X_{s}^{i} + Σ_{i = 1}^{5} b_{i} Y_{s}^{i} \\ Σ_{i = 1}^{5} c_{i} X_{s}^{i} + Σ_{i = 1}^{5} d_{i} Y_{s}^{i} \end{matrix}]

计算APS星敏感器焦平面上二维坐标[U V]^T，其中，a_i、b_i、c_i、d_i为预设多项式拟合系数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的电子星空模拟器按照外部输入的所述APS星敏感器的姿态数据(姿态四元数)计算星图，APS星敏感器按照前述星图提取出的姿态四元数，这两种四元数之间的误差能够达到小于0.00005(|ΔQ_i|＜0.00005，i＝0，1，2，3)。

(2)电子星空模拟器产生动态星图，模拟星敏感器探头输出的图像激励星敏感器线路盒。电子星空模拟器没有复杂的光学系统，不需要高精度的机械加工，使用时也不需要精确安装，输出的电子星图星点位置精度高，可用于分系统、整星和靶场测试。

附图说明

图1为本发明电子星空模拟器应用示意图；

图2为本发明电子星空模拟器结构图；

图3为本发明DSP生成星图的流程图；

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。

电子星空模拟器能够模拟随卫星轨道和姿态变化的星图，实现全轨道实时多星模拟，替代星敏感器探头作为星敏感器的输入，使星敏感器具备接入闭路测试的能力。

电子星空模拟器接收动力学仿真计算机发送的惯性姿态数据，按规定的时间以及所需的格式要求，向星敏感器线路盒(Star Sensor Electronics)输出数字星图数据及同步信号，使星敏感器图像存储电路中获得与拍摄真实天空类似的电子图像。

电子星空模拟器(阴影部分)参与系统测试如图1所示：星图数据计算部分接收动力学仿真计算机输出的姿态四元数，生成1024×1024点阵10位星图；星图数据存储电路通过高速存储接口存储星图；星图数据输出电路产生要求的时序，将存储的星图通过13对低压差分接口(LVDS)输出给星敏感器线路盒。星图数据刷新率为8Hz，星图数据满足帧同步(Vs)、行同步(Hs)、位时钟(Clk)时序关系。

星图数据宽度为10位，按2字节处理，一幅星图包含1M个像元，星图刷新率为8Hz，所以星图数据存储和传输带宽为16MB/s。利用PC机和Windows操作系统设计电子星空模拟器是当前常见的方案，PC机内安装一块星图数据处理卡用于星图输出。电子星空模拟器通过TCP/IP网络接收动力学仿真计算机输出的姿态数据，通过PCI总线将星图写入到星图数据处理卡，由星图数据处理卡输出星图。PCI总线能够满足16MB/s带宽要求，但是Windows实时性差，TCP/IP网络协议延时存在很大不确定性，所以基于Windows操作系统很难保证8Hz星图刷新率。Jena公司A10星敏感器电子星空模拟器就是采用该方案，最大延时超过1s，而且延时存在随机抖动。长延时且延时时间不固定容易引起闭路测试不稳定，所以良好的实时性是电子星空模拟器能用于闭路测试的必然要求。

DSP具备高速运算能力，外部存储器总线也满足16MB/s带宽要求，但是DSP无法实现复杂的逻辑处理，FPGA具备逻辑处理能力强的优点，所以采用DSP和FPGA构建电子星空模拟器。

本发明提供了一种APS星敏感器电子星空模拟器，如图2所示，包括：DSP、FPGA、RAM和LVDS接口电路；

DSP选择TI公司TMS320F28335。

TMS320F28335为TI公司在06年推出，在目前283x系列中资源最丰富，具备32位浮点运算能力。运行时钟最高可以达150MHz，能确保16MB/s数据存取的指标要求。片内CAN总线接口控制器能够简化设计CAN总线接口设计；片内FLASH固化程序方便；片内带浮点运算硬件缩短浮点运算时间；LQFP176封装易于保证电装质量。

FPGA选择Actel公司A3P1000。

A3P1000是Actel公司推出的基于Flash的FPGA，相比较基于SRAM的FPGA，基于Flash的FPGA上电即工作，不需要上电加载配置程序且稳态功耗低。上电即工作避免上电加载配置程序时较大电流，缩短上电过渡时间，减小上电时对电源冲击。A3P1000有100万逻辑门，满足电子星空模拟器要求。

SRAM选用Cypress公司的CY7C1061AV33。

CY7C1061AV33存储容量1M×16位，存取速度10ns，工作电压3.3V。选用两片用做DSP的外围缓存SRAM，构成“乒乓”双缓冲存储器。

DSP通过FPGA向RAM中存储数据和FPGA从RAM中读取数据为乒乓存储方式。DSP中进行图生成计算，然后利用DSP外部存储器总线通过FPGA把星图数据写入RAM。为了提高星图刷新率设置双RAM，星图生成和星图传输按照二级流水线工作，在DSP向一片RAM存储一幅星图的同时，FPGA调用另一片RAM中的星图输出，这样可以保证星图计算时星图输出连续。FPGA内部主要有两部分逻辑，第一部分为乒乓存储管理逻辑，合理调度DSP和输出接口电路对乒乓存储RAM的读写访问；第二部分为星图输出时序逻辑产生，需要按照时序要求产生帧同步、行同步、位同步信号，并在位同步信号的上升沿输出10位并行星图数据。

如图3所示，DSP中计算生成星图具体通过如下步骤进行：

进行光轴指向计算具体为：

通过公式

{\overset{&RightArrow;}{C}}_{0} = [\begin{matrix} 2 (q_{1} q_{3} + q_{2} q_{0}) \\ 2 (q_{2} q_{3} - q_{1} q_{0}) \\ - q_{1}^{2} - q_{2}^{2} + q_{3}^{2} + q_{0}^{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{matrix}]

计算得到光轴在地心惯性坐标系下的单位矢量

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为所述APS星敏感器的姿态四元数，a₁、a₂、a₃为单位矢量的三轴坐标。

(3.2)从纬度圈内找到距离步骤(3.1)中得到的光轴最近的两个纬度圈，然后在这两个纬度圈内查找距离光轴最近的2个索引点(纬度圈在南北极时只有1个索引点)，最后对每个索引点所在网格内的导航星矢量和光轴的单位矢量进行点乘运算，保留在视场内的导航星；所述索引点是指以经度和纬度划分的网格的几何中心；

电子星空模拟器实时性要求较高，如果遍历整个导航星表耗时太长，无法满足星图刷新率要求。为了提高星表的检索速度，在连续存储的导航星表基础上建立两级链表即纬度圈数据和索引点数据，纬度圈数据记录每个纬度圈内索引点起始位置和该纬度圈内索引点个数。索引点数据记录每个索引点X、Y坐标和该索引点对应的第一颗导航星序号。纬度圈每隔10°一个，包括南北极一共19个纬度圈。每个纬度圈内，索引点不完全相同，纬度越高索引点越少，纬度越低索引点越多，一共取128个索引点。每个索引点几何中心作为索引点X、Y坐标。

通过如下步骤进行：

(a)通过公式

[\begin{matrix} X_{s} \\ Y_{s} \\ Z_{s} \end{matrix}] = C_{si} \cdot [\begin{matrix} X_{i} \\ Y_{i} \\ Z_{i} \end{matrix}]

C_{si} = [\begin{matrix} q_{1}^{2} - q_{2}^{2} - q_{3}^{2} + q_{0}^{2} & 2 (q_{1} q_{2} + q_{3} q_{0}) & 2 (q_{1} q_{3} - q_{2} q_{0}) \\ 2 (q_{1} q_{2} - q_{3} q_{0}) & - q_{1}^{2} + q_{2}^{2} - q_{3}^{2} + q_{0}^{2} & 2 (q_{2} q_{3} + q_{1} q_{0}) \\ 2 (q_{1} q_{3} + q_{2} q_{0}) & 2 (q_{2} q_{3} - q_{1} q_{0}) & - q_{1}^{2} - q_{2}^{2} + q_{3}^{2} + q_{0}^{2} \end{matrix}],

[X_i Y_i Z_i]^T为导航星在惯性系下的方向矢量，直接查导航星表可得。

导航星表中记录了导航星在惯性系中位置信息，是星图产生的重要依据。导航星表采用的惯性坐标系定义：坐标原点为地心，Z轴指向历元北极，X轴指向2000.0历元春分点，Y轴符合右手系。导航星表从美国史密斯天文台提供的SAO星表中按照一定规则提取。提取规则：星等不大于6.5；任意两颗恒星之间角距小于0.8°时，剔除亮度较低的星。将SAO星表中的恒星位置修正至2015年1月1日0分0时0秒，把每个导航星在上述惯性系X、Y、Z轴上的投影(X_i Y_i Z_i)存储为导航星三轴位置坐标。所有导航星位置坐标、星等连续存储组成导航星表。

(b)通过公式

[\begin{matrix} U \\ V \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 1}^{5} a_{i} X_{s}^{i} + Σ_{i = 1}^{5} b_{i} Y_{s}^{i} \\ Σ_{i = 1}^{5} c_{i} X_{s}^{i} + Σ_{i = 1}^{5} d_{i} Y_{s}^{i} \end{matrix}]

计算APS星敏感器焦平面上二维坐标[U V]^T，其中，a_i、b_i、c_i、d_i为预设多项式拟合系数

(3.4)通过公式

μ_{i} (x, y) = \frac{1}{\sqrt{2 π} σ} \exp | - \frac{{(x - x_{0})}^{2} + {(y - y_{0})}^{2}}{{2 σ}^{2}} |

本发明电子星空模拟器已经在中星卫星地面测试中成功应用，测试结果表明电子星空模拟器结构小巧、使用方便、工作稳定、动态响应迅速、静态精度高，满足星敏感器测试要求。