CN103034236B - 一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法，依据姿轨控系统控制周期与星敏感器图像处理周期的关系，通过设计一个基于控制周期的时间操作序列，一方面完成了卫星姿轨控系统与多个星敏感器之间的读写同步操作，另一方面通过时序安排，根据需要切换姿轨控系统使用的星敏感器数据更新率，保证在正常的模式控制环节，可以周期性完成对所有星敏感器的数据采集和指令发送，在姿态高精度要求的模式(一般为位保模式)，可以保证每周期都有更新的星敏感器数据用于定姿计算，在姿轨控系统不同模式下都能够满足星敏数据更新率的要求，在一定程度上保证了卫星姿轨控系统的定姿精度。

Description

一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器的控制方法，特别是一种可以应用于高轨道卫星短控制周期的星敏感器数据采集与同步处理方法。

背景技术

星敏感器是目前卫星应用中精度最高的姿态测量部件，可直接应用于姿态计算，也可用于惯性测量部件(如陀螺)的标定。为保证星敏感器数据的可用性，一般卫星姿轨控系统中都安装有2～3台星敏感器。星敏感器的对外接口为RS422接口，姿轨控系统计算机内置ASIC芯片与各星敏感器进行通讯。姿轨控系统应用软件通过ASIC芯片读取星敏感器的数据，转发星敏感器操作指令，完成星敏感器的读写操作。

星敏感器作为单独的产品，自身也是周期性运行，目前国内外星敏感器的执行周期一般为125ms，高轨道卫星的控制周期全部为64ms，低轨卫星一般为250ms以上。因此对于低轨道卫星，可以每周期与星敏感器通讯，且每周期都可以获取最新的星敏感器姿态数据。但是对于高轨道卫星却无法实现，在高轨道卫星控制周期之内，星敏感器尚不能完成一个周期的计算，因此，高轨道卫星无法连续获取星敏感器的有效姿态，这对姿态精度要求高的系统而言，带来如下问题：

(1)星敏感器姿态数据是卫星姿轨控系统周期性使用的数据，再加上其它星敏感器状态数据，所需传输时间较长，采用传统的等待通讯方式是不现实的，有可能导致任务超时；同时多个星敏感器共用ASIC芯片，固定时间内只能容许单个星敏感器与ASIC芯片通讯，由于星敏感器的数据量较大，这也导致在单个控制周期内无法完成与多个星敏感器的通讯；

(2)为正常使用星敏感器，还需要不定期给星敏感器发送相关指令，指令的发送也需要通过ASIC芯片完成，同时由于星敏感器串口的工作方式为半双工方式，不支持对串口同时进行读写。因此，要求星敏感器的指令发送过程必须与星敏感器的数据读取操作分开，否则星敏感器的数据读写将发生错误；

(3)高轨道卫星多为通讯卫星，姿轨控系统的控制精度通常较高，对星敏感器数据的使用提出了更高的要求。正常情况下，容许星敏数据的更新时间为一固定周期，在特殊模式(如位保模式等高精度控制模式)下，要求每个控制周期都有更新的星敏感器数据参与姿态计算，这将导致高轨道卫星在处理星敏感器数据时，不能在同一周期一次性取回所有星敏感器的数据，尤其对于特殊控制模式，将影响定姿精度。同时星敏感器数据的读写在不同模式下，需要采用不同的时序，模式切换过程要协调两类时序之间的衔接，也加大了星敏感器操作的难度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法，可以应用于高轨道卫星上，既保证了在较短控制周期内统一协调多个星敏感器的读写时序，又保证了每个星敏感器自身有足够的处理时间，在姿轨控系统不同模式下都能够满足星敏感器数据更新率的要求，在一定程度上保证了卫星姿轨控系统的定姿精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法，步骤如下：

(1)设定卫星姿轨控系统与星敏感器之间的通讯周期，正常工作模式下卫星姿轨控系统与星敏感器的通讯周期为2nT，前nT时间内进行n个星敏感器的数据读取操作，后nT时间内依次进行n个星敏感器的数据写入操作，在卫星姿轨控系统的每一个控制周期仅对一个星敏感器进行数据读取或者数据写入操作，对其余n-1个星敏感器不操作；特殊工作模式下卫星姿轨控系统与星敏感器的通讯周期为nT，卫星姿轨控系统在整个通讯周期内仅进行数据读取操作，在卫星姿轨控系统的每一个控制周期仅对一个星敏感器进行数据读取操作，对其余n-1个星敏感器不操作；其中n为星敏感器的数量，T为卫星姿轨控系统的控制周期，T≤τ≤2T，τ为单个星敏感器的图像数据处理时间；

(2)判断卫星姿轨控系统在上一个控制周期是否接收到通讯模式切换指令，如果没有接收到通讯模式切换指令则执行步骤(3)，如果接收到通讯模式切换指令则执行步骤(4)；

(3)卫星姿轨控系统根据当前设定的通讯模式与星敏感器进行通讯，如果是正常工作模式，卫星姿轨控系统按照与星敏感器在2nT通讯周期的操作内容，进行本控制周期内的单一星敏感器的数据读取或者数据写入操作，完成后返回步骤(2)；如果是特殊工作模式，卫星姿轨控系统按照与星敏感器在nT通讯周期的操作内容，进行本控制周期内的单一星敏感器的数据读取操作，完成后返回步骤(2)；

(4)卫星姿轨控系统在本控制周期内保持选通上一个控制周期内操作的星敏感器，使得下一个控制周期卫星姿轨控系统的操作对象依然是上一个控制周期内操作的星敏感器，完成后返回步骤(2)。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法依据姿轨控系统控制周期与星敏感器图像处理周期的关系，通过设计一个基于控制周期的时间操作序列，一方面完成了卫星姿轨控系统与多个星敏感器之间的读写同步操作，另一方面通过时序安排，根据需要切换姿轨控系统使用的星敏感器数据更新率，保证在正常的模式控制环节，可以周期性完成对所有星敏感器的数据采集和指令发送，在姿态高精度要求的模式(一般为位保模式)，可以保证每周期都有更新的星敏感器数据用于定姿计算，在姿轨控系统不同模式下都能够满足星敏数据更新率的要求，在一定程度上保证了卫星姿轨控系统的定姿精度。

本发明方法已经在我国高轨道卫星上成功应用，在轨应用结果显示卫星姿态控制正常、星敏感器遥测数据无误、模式切换过程无数据丢失现象，并且星敏感器数据已正常引入卫星的自主定轨过程中，通过本发明方法还成功实现了星敏感器的指令注入和在轨软件升级，充分表明了该方法的有效性。本发明方法可以推广应用于所有要求具备星敏感器的高轨道卫星。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明星敏感器6周期读写时序图；

图3为本发明星敏感器3周期读写时序图.

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。本发明的基本原则是通过合理安排星敏感器的读写时序逻辑，一方面保证对连接多个星敏感器的卫星姿轨控系统进行操作时序上的分割，保证短控制周期内完成星敏感器的通讯；另一方面，根据姿轨控系统不同控制模式下对定姿精度的要求，调节星敏感器的读写时序，保证星敏感器姿态数据的更新率。

本发明以目前高轨道卫星姿轨控系统及常用星敏感器为依据，星敏的图像曝光及处理周期为125ms，姿轨控系统控制周期为64ms。对于中低轨道其他卫星应用而言，由于涉及到控制周期的变化，在应用本方法前，可依据任务需要适当调整。但是应满足T≤τ≤2T，其中T为卫星姿轨控系统的控制周期，τ为单个星敏感器的图像数据处理时间。

下面以三个星敏感器为例说明具体的实现流程：

(1)因姿轨控系统软件为周期性运行，该流程首先判断上周期是否有模式切换的需求，如果无模式切换，则执行步骤(2)；否则，如果有模式切换，为解决因模式切换导致的星敏感器读写时序和星敏感器数据更新频率变化的问题，避免因两类模式下星敏感器时序逻辑切换时的操作冲突，需要专门设计星敏感器的时序衔接操作，在发生模式切换时，转入步骤(5)执行。

(2)无模式切换时，星敏感器的读写时序按原有逻辑进行。原逻辑根据模式不同，分为两类：正常模式操作逻辑和特殊模式操作逻辑。如原模式为正常模式，则转入步骤(3)执行，如原模式为特殊模式，则转入(4)执行。

(3)正常模式下，对星敏感器的操作包含读写两类，分为读周期和写周期，以三个星敏感器处理过程为例，为保证三个星敏感器的读写在时序上分开，每个控制周期内只有一个星敏感器与ASIC芯片进行通讯，借鉴时分复用的思想，设计6个控制周期的时序安排，见图2所示，0、1、2三个周期为读周期，通过选通切换操作，对三个星敏感器数据依次进行接收读取，每个控制周期首先读取上周期接收的星敏感器数据，然后选通另一个星敏感器进行数据接收；3、4、5三个周期为写周期，分别对星敏感器依次进行指令发送，最后一个星敏感器指令发送完成后，选通第一个星敏感器进行数据接收。如此循环，保证所有星敏感器读写时序的连续性。

(4)特殊模式下，由于定姿精度的提升，需要保证每个控制周期都有更新的星敏感器数据，此时需停止星敏感器的写周期环节，ASIC芯片只用来进行星敏感器数据的接收操作。以三个星敏处理过程为例，设计3个控制周期的时序安排，见图3所示，0、1、2三个控制周期全部为读周期，通过选通切换操作对星敏感器数据依次进行接收读取，每个控制周期首先读取上周期接收的星敏感器数据，然后选通另一个星敏感器进行数据接收，如此循环。

(5)有模式切换时，由于模式切换的时机可能发生在星敏感器读写环节的任何一个控制周期，随机选择星敏感器进行通讯，有可能导致选择的星敏感器与上周期相同，星敏感器间隔一个控制周期，并不能及时更新姿态数据。因此为保证星敏感器读写时序的无缝衔接，保证下一周期进行通讯的星敏感器已完成其自身星图的处理并更新了姿态数据，需根据上周期操作的星敏感器的序号，选择对应的星敏感器，进行选通并接收其姿态数据。例如正常模式执行置countSTS＝4周期，此时选通的是星敏感器B，如果发生模式切换置特殊模式，并在下周期对进行星敏感器B读操作，就需要在本周期切换逻辑中设置接收星敏感器B数据的操作，并设置countSTS＝2，这样，在下周期进入新的控制模式之后，星敏感器的读写操作将不受影响，整个时序变化为4-2-0-1-2-0-1-2...，其他情况作类似处理。

图2和图3中，RTS为星敏感器取数信号，0表示使能星敏感器与ASIC通讯，1表示停止通讯；countSTS为星敏感器操作的控制周期计数器，以6周期为例，数值范围【0---5】。％为取余数操作，保证周期计数限制在某一范围之内。

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 (1)

1.一种基于时分复用的多星敏感器时序同步处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)设定卫星姿轨控系统与星敏感器之间的通讯周期，正常工作模式下卫星姿轨控系统与星敏感器的通讯周期为2nT，前nT时间内进行n个星敏感器的数据读取操作，后nT时间内依次进行n个星敏感器的数据写入操作，在卫星姿轨控系统的每一个控制周期仅对一个星敏感器进行数据读取或者数据写入操作，对其余n-1个星敏感器不操作；特殊工作模式下卫星姿轨控系统与星敏感器的通讯周期为nT，卫星姿轨控系统在整个通讯周期内仅进行数据读取操作，在卫星姿轨控系统的每一个控制周期仅对一个星敏感器进行数据读取操作，对其余n-1个星敏感器不操作；其中n为星敏感器的数量，T为卫星姿轨控系统的控制周期；

(2)判断卫星姿轨控系统在上一个控制周期是否接收到通讯模式切换指令，如果没有接收到通讯模式切换指令则执行步骤(3)，如果接收到通讯模式切换指令则执行步骤(4)；

(3)卫星姿轨控系统根据当前设定的通讯模式与星敏感器进行通讯，如果是正常工作模式，卫星姿轨控系统按照与星敏感器在2nT通讯周期的操作内容，进行本控制周期内的单一星敏感器的数据读取或者数据写入操作，完成后返回步骤(2)；如果是特殊工作模式，卫星姿轨控系统按照与星敏感器在nT通讯周期的操作内容，进行本控制周期内的单一星敏感器的数据读取操作，完成后返回步骤(2)；

(4)卫星姿轨控系统在本控制周期内保持选通上一个控制周期内操作的星敏感器，使得下一个控制周期卫星姿轨控系统的操作对象依然是上一个控制周期内操作的星敏感器，完成后返回步骤(2)。