CN104655151A - 摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，包括以下步骤：步骤一，运行实时操作系统的动力学目标机通过板卡实时采集地球敏感器探头扫描方向基准信号并据此获取扫描周期数据，作为确定四路电激励信号波形及计算其与扫描方向基准信号相位关系的输入量；步骤二，计算卫星与地球敏感器四个探头扫描范围的相对关系，划分五类不同的激励源方波形式；确定激励源方波的上升沿、下降沿时刻计算表达式；步骤三，输出与当前滚动、俯仰角相对应的电激励信号。本发明能满足地球静止轨道卫星姿轨控分系统仿真试验需要。

Description

摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法

技术领域

本发明涉及一种电激励源的设计方法，具体地，涉及一种摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法。

背景技术

地球敏感器借助于光学手段获取卫星相对于地球的俯仰和滚动姿态信息，是卫星姿轨控分系统最基本的姿态敏感器之一。摆动扫描式红外地球敏感器是地球静止轨道卫星目前最常用的地球敏感器，它一般安装在星体+Z面，敏感器件采用4束铅笔型射束组成的复合视场，对来自地球地平的14～16.25μ波段的入射能量进行调制。随着地球敏感器内部扫描镜的摆动，这些射束沿南/北纬45°的扫描路径对地球圆盘进行扫描。扫描路径包括空间段和地平段，产生空/地、地/空穿越信号，然后与内部扫描基准进行相位比较，经逻辑电路处理后得到卫星当前的俯仰与滚动姿态信息。

一般的，在各种试验中使用电激励信号作为此类红外地球敏感器的目标源时，通常做法是动力学计算得到的卫星俯仰p、滚动r姿态角通过通信接口(网络、串口等)送给一台以单片机及FPGA芯片为核心设计的电信号源设备，该设备运行嵌入式程序，根据接收的姿态信息及采集到的基准方波信号，结合预先设定的轨道高度值及扫描幅值θ计算输出电激励信号。此类信号源通常存在如下缺陷：1)单片机及FPGA芯片浮点运算的能力有限，一般先将公式计算好，做成表格，以输入的p、r为索引量进行查表，因为输入量不含有轨道高度及扫描幅值信息，所以信号源只适用于地球同步轨道及窄扫模式下，使用范围受限，不能满足卫星从星箭分离初始入轨至转移段飞行这一区间的测试需求；2)由于通信周期限制及传输延迟，不可避免的带来激励信号的滞后，难以满足高实时性测试系统的要求。因此，有必要研究一种利用实时操作系统在内部对输入数据进行实时运算、处理后直接驱动接口产生激励源的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其能满足地球静止轨道卫星姿轨控分系统仿真试验需要。

根据本发明的一个方面，提供一种摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，运行实时操作系统的动力学目标机通过板卡实时采集地球敏感器探头扫描方向基准信号并据此获取扫描周期数据，结合地球半径、地球红外辐射层厚度、地球敏感器扫描幅值及动力学计算出的卫星俯仰/滚动姿态、轨道高度，作为确定四路电激励信号波形及计算其与扫描方向基准信号相位关系的输入量；

步骤二，根据前述步骤一的输入量参数，计算卫星与地球敏感器四个探头扫描范围的相对关系，划分五类不同的激励源方波形式；以地球敏感器探头扫描方向基准信号的下降沿为时间起点，确定激励源方波的上升沿、下降沿时刻计算表达式；

步骤三，实时操作系统根据确定的激励源方波波形及计算出的扫描周期数据、上升沿/下降沿跳变时刻数据，以地球敏感器探头扫描方向基准信号的下降沿为起始时刻，输出与当前滚动、俯仰角相对应的电激励信号。

优选地，所述步骤一是获取计算输入量参数步骤。

优选地，所述步骤二是划分卫星与地球敏感器探头扫描范围的相对关系并归纳激励源公式步骤。

优选地，所述步骤三是实时操作系统驱动I/O口输出激励方波信号步骤。

优选地，所述激励源方波形式包括全低模式、全高模式、先入后出模式、先出后如模式、穿越模式。

优选地，所述激励源方波形式由卫星当前的姿态角、轨道高度确定。

优选地，所述步骤三的实时操作系统根据采集到的地球敏感器探头扫描方向基准信号计算扫描周期值、激励方波模式及上升沿/下降沿跳变时刻，以地球敏感器探头扫描方向基准信号下降沿为时间起点，驱动I/O接口按跳变时刻改变输出电平，产生激励方波信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)本发明利用实时系统获取输入量参数并在同一运算周期内(1ms)确定激励源方波形式及其上升、下降沿时刻，并通过内总线驱动自带I/O接口输出激励信号，避免了通过外部通信接口传输数据造成响应延迟的弊端；(2)输入量包含轨道高度及地球敏感器扫描幅度信息(宽扫/窄扫)，不仅适用于同步轨道、窄扫工况，还能满足卫星从星箭分离初始入轨到转移轨道段飞行这一区间的测试需求。经仿真试验级系统测试使用验证，效果良好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为卫星俯仰、滚动角定义示意图。

图2为红外地球敏感器扫描探头与地球圆盘相对位置示意图。

图3为A路信号逻辑划分示意图。

图4为B路信号逻辑划分示意图。

图5为C路信号逻辑划分示意图。

图6为D路信号逻辑划分示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法包括以下步骤：

步骤一，获取计算输入量参数，运行实时操作系统的动力学目标机通过板卡实时采集地球敏感器探头扫描方向基准信号(SD)并据此获取扫描周期数据，结合地球半径、地球红外辐射层厚度、地球敏感器扫描幅值θ及动力学计算出的卫星俯仰/滚动姿态、轨道高度，作为确定四路电激励信号波形及计算其与扫描方向基准信号相位关系的输入量。

步骤二，划分卫星与地球敏感器探头扫描范围的相对关系并归纳激励源公式，根据前述步骤一的输入量参数，计算卫星与地球敏感器四个探头扫描范围的相对关系，划分五类不同的激励源方波形式；以地球敏感器探头扫描方向基准信号(SD)的下降沿为时间起点，确定激励源方波的上升沿、下降沿时刻计算表达式。激励源方波形式包括全低模式、全高模式、先入后出模式、先出后如模式、穿越模式；根据卫星当前的姿态角、轨道高度等信息确定激励源方波形式。

步骤三，实时操作系统驱动I/O口输出激励方波信号，实时操作系统根据确定的激励源方波波形及计算出的扫描周期数据、上升沿/下降沿跳变时刻数据，以地球敏感器探头扫描方向基准信号(SD)的下降沿为起始时刻，输出与当前滚动、俯仰角相对应的电激励信号。具体来说，实时操作系统根据采集到的地球敏感器探头扫描方向基准信号(SD)计算扫描周期值T、激励方波模式及上升沿/下降沿跳变时刻t_A1、t_A2、t_A3、t_A4，以地球敏感器探头扫描方向基准信号(SD)下降沿为时间起点，驱动I/O接口按跳变时刻改变输出电平，产生激励方波信号。

摆动扫描式红外地球敏感器参与姿轨控分系统测试时，需要运行卫星动力学的实时操作系统，以I/O接口采集到的地球敏感器探测器的扫描方向信号为基准，通过动力学提供的卫星俯仰、滚动姿态、轨道等信息计算得到四路激励信号，并驱动I/O接口输出，模拟四个探测器扫描地球所产生的信号，具体过程如下：

1、实时操作系统从收到红外地球敏感器扫描方向SD信号第一下降沿开始查询并记录到下一个下降沿时所持续的时间，记录该段时长为T(T定义为SD信号周期，标称值为100ms)，作为运算的输入条件，第一周期计算时，T缺省设置为100ms。另外，若某此计算获得T值＞102ms或＜98ms，认为该值错误，使用缺省值。从动力学目标机获取地球半径、地球红外辐射层厚度、地球敏感器扫描幅值θ及动力学计算出的卫星俯仰/滚动姿态数据及轨道高度等信息作为电激励源的输入。

2、系统根据卫星姿态和轨道信息计算每路激励信号的工作模式，具体公式如下式(1)至(4)：

$X_A^{\′}=-\sqrt{{R_e}^{\′2}-{(r+{\mathrm{\βR}}_e)}^2}-p\·\·\·\left(1\right)$

$X_B^{\′}=-\sqrt{{R_e}^{\′2}-{(r-{\mathrm{\βR}}_e)}^2}-p\·\·\·\left(2\right)$

$X_C^{\′}=-\sqrt{{R_e}^{\′2}-{(r+{\mathrm{\βR}}_e)}^2}-p\·\·\·\left(3\right)$

$X_D^{\′}=-\sqrt{{R_e}^{\′2}-{(r-{\mathrm{\βR}}_e)}^2}-p\·\·\·\left(4\right)$

式中，(1)X′_n(n＝A,B,C,D)为当前姿态下，地球边沿在各扫描线上的横坐标值(坐标原点定义为0姿态时4个探头的中心位置)，p、r分别为卫星的俯仰、滚动姿态角如图1所示，k1表示正确姿态下的地球圆盘，k2表示表示偏差情况下的地球圆盘。(2)R_e＝8.732°(同步轨道地球半张角)；β＝sin45°(同步轨道扫描纬度)。(3)(非同步轨道地球半张角，轨道高度18000km～42000km对应半张角15.26°～7.62°)。式中H为地球敏感器离地面高度。

以A路信号为例，如图2所示，具体情况如下：

①若X′_c≤(-βR_e-θ)或X′_A≥(-βR_e+θ)，探头整个扫描范围在地球圆盘外，整个SD周期内，激励源输出低电平(式中θ为红外地球敏感器扫描幅值，下同)；

②若(-βR_e-θ)≤X′_c≤(-βR_e+θ)，探头先扫出地球，再扫入地球，在整个SD周期内，激励源输出电平信号为高—低—高；

③若X′_A≤(-βR_e-θ)且X′_c≥(-βR_e+θ)，探头扫描范围全在地球圆盘内，在整个SD周期内，激励源输出高电平；

④若X′_A≥(-βR_e-θ)且X′_c≤(-βR_e+θ)，探头先扫入地球，再扫出地球，再扫入地球，再扫出地球，在整个SD周期内，激励源输出电平信号为低—高—低—高—低；

⑤(-βR_e-θ)≤X′_A≤(-βR_e+θ),探头先扫入地球，再扫出地球，在整个SD周期内，激励源输出电平信号为低—高—低。

由上可知，对每路信号，均存在以下5种工作模式，其划分逻辑如图3、图4、图5、图6所示，具体情况如下：

(1)全低模式(MODn＝0)：整个周期输出低电平；

(2)全高模式(MODn＝1)：整个周期输出低电平；

(3)先入后出模式(MODn＝2)：以SD信号下降沿为起始，输出低电平，tn1时刻起输出高电平，(tn1+tn2)时刻起输出低电平至该周期结束；

(4)先出后入模式(MODn＝3)：以SD信号下降沿为起始，输出高电平，tn1时刻起输出低电平，(tn1+tn2)时刻起输出高电平至该周期结束；

(5)穿越模式(MODn＝4)：以SD信号下降沿为起始，输出低电平，tn1时刻起输出高电平，(tn1+tn2)时刻起输出低电平，(tn1+tn2+tn3)时刻起输出高电平，(tn1+tn2+tn3+tn4)时刻起输出低电平至该周期结束。

3、对A、B、C、D这4路信号分别计算tn1和tn2，tn3，tn4。其中tn1表示每个周期中，从SD信号0点(下降沿)开始到达该路信号第一跳变沿的时间，tn2表示从tn1时刻开始到达该路信号第二跳变沿的时间、tn3表示从tn2时刻开始到达该路信号第三跳变沿的时间、tn4表示从tn3时刻开始到达该路信号第四跳变沿的时间。

计算公式如下：

(1)对于A路信号：

全低模式：本周期内输出信号全为低电平，与时间无关；

全高模式：本周期内输出信号全为高电平，与时间无关；

先入后出模式的公式如下式(5)和式(6)：

$t_{A1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_A^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(5\right)$

t_A2＝T-t_A1…………………………………………………………………(6)

先出后入模式的公式如下式(7)和式(8)：

$t_{A1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_C^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(7\right)$

t_A2＝T-t_A1………………………………………………………………(8)

穿越模式的公式如下式(9)至式(12)：

$t_{A1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_A^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(9\right)$

$t_{A2}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_C^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(10\right)$

t_A3＝T-t_A2………………………………………………………………(11)

t_A4＝T-t_A1………………………………………………………………(12)

(2)对于B路信号：

全低模式：本周期内输出信号全为低电平，与时间无关；

全高模式：本周期内输出信号全为高电平，与时间无关；

先入后出模式如下式(13)和式(14)：

$t_{B1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_B^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(13\right)$

t_B2＝T-t_B1………………………………………………………………(14)

先出后入模式如下式(15)和式(16)：

$t_{B1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_D^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(15\right)$

t_B2＝T-t_B1………………………………………………………………(16)

穿越模式如下式(17)至式(20)：

$t_{B1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_B^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(17\right)$

$t_{B2}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{-({\mathrm{\βR}}_e+X_D^{\′})}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(18\right)$

t_B3＝T-t_B2…………………………………………………………………(19)

t_B4＝T-t_B1…………………………………………………………………(20)

(3)对于C路信号：

全低模式：本周期内输出信号全为低电平，与时间无关；

全高模式：本周期内输出信号全为高电平，与时间无关；

先入后出模式如下式(21)和式(22)：

$t_{C1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_A^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(21\right)$

t_C2＝T-t_C1…………………………………………………………………(22)

先出后入模式如下式(23)和式(24)：

$t_{C1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{-\mathrm{\βR}}_e-X_C^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(23\right)$

t_C2＝T-t_C1…………………………………………………………………(24)

穿越模式如下式(25)至式(28)：

$t_{C1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_A^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(25\right)$

$t_{C2}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_C^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(26\right)$

t_C3＝T-t_C2……………………………………………………………………(27)

t_C4＝T-t_C1……………………………………………………………………(28)

(4)对于D路信号：

全低模式：本周期内输出信号全为低电平，与时间无关；

全高模式：本周期内输出信号全为高电平，与时间无关；

先入后出模式如下式(29)和式(30)：

$t_{D1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_B^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(29\right)$

t_D2＝T-t_D1……………………………………………………………………(30)

先出后入模式如下式(31)和式(32)：

$t_{D1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_D^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(31\right)$

t_D2＝T-t_D1……………………………………………………………………(32)

穿越模式如下式(33)至式(36)：

$t_{D1}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_B^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(33\right)$

$t_{B2}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\arccos \frac{{\mathrm{\βR}}_e-X_D^{\′}}{\mathrm{\θ}}\·\·\·\left(34\right)$

t_D3＝T-t_D2……………………………………………………………………(35)

t_D4＝T-t_D1……………………………………………………………………(36)

以SD信号为基准，在每个周期内，驱动四路I/O接口，按照给定的工作模式及跳变时刻tn1、tn2、tn3、tn4输出电激励信号。

综上所述，本发明满足卫星姿轨控系统单机级、系统级与整星级测试中对红外地球敏感器目标对象模拟器的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，运行实时操作系统的动力学目标机通过板卡实时采集地球敏感器探头扫描方向基准信号并据此获取扫描周期数据，结合地球半径、地球红外辐射层厚度、地球敏感器扫描幅值及动力学计算出的卫星俯仰/滚动姿态、轨道高度，作为确定四路电激励信号波形及计算其与扫描方向基准信号相位关系的输入量；

步骤二，根据前述步骤一的输入量参数，计算卫星与地球敏感器四个探头扫描范围的相对关系，划分五类不同的激励源方波形式；以地球敏感器探头扫描方向基准信号的下降沿为时间起点，确定激励源方波的上升沿、下降沿时刻计算表达式；

步骤三，实时操作系统根据确定的激励源方波波形及计算出的扫描周期数据、上升沿/下降沿跳变时刻数据，以地球敏感器探头扫描方向基准信号的下降沿为起始时刻，输出与当前滚动、俯仰角相对应的电激励信号。

2.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述步骤一是获取计算输入量参数步骤。

3.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述步骤二是划分卫星与地球敏感器探头扫描范围的相对关系并归纳激励源公式步骤。

4.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述步骤三是实时操作系统驱动I/O口输出激励方波信号步骤。

5.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述激励源方波形式包括全低模式、全高模式、先入后出模式、先出后如模式、穿越模式。

6.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述激励源方波形式由卫星当前的姿态角、轨道高度确定。

7.根据权利要求1所述的摆动式红外地球敏感器电激励源的设计方法，其特征在于，所述步骤三的实时操作系统根据采集到的地球敏感器探头扫描方向基准信号计算扫描周期值、激励方波模式及上升沿/下降沿跳变时刻，以地球敏感器探头扫描方向基准信号下降沿为时间起点，驱动I/O接口按跳变时刻改变输出电平，产生激励方波信号。