CN105136171B - 基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法，首先计算穿越位置零位，从而根据姿态信息获得四通道穿越位置原始值，再根据标定获得的四通道适应性修正参数进行适应性校正，继而依次通过地球敏感器辐射校正公式及工作模式、阈值对穿越位置校正获得四通道穿越位置，最后再根据穿越位置与D/A转换参数的关系控制D/A转换器输出锯齿波的电信号源。这种装置应包括计算机、串口驱动器、控制器和四路D/A转换器。本发明有效解决了线阵红外地球敏感器应用于不同轨道、不同工作模式的姿态模拟问题，提供了一种线阵红外地球敏感器的检测手段，保障了线阵红外地球敏感器的电性能测试，为各类测试与仿真提供了条件。

Description

基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法

技术领域

本发明涉及星载红外地球敏感器的测试设备。具体涉及一种适用于线阵红外地球敏感器检测手段，新型电激励源的产生方法。

背景技术

红外地球敏感器，是基于地球红外辐射敏感原理的卫星姿态光学敏感器，可用于航天器相对于地球局地垂线的俯仰、滚动姿态角信号的测量、初始状态时航天器对地球的捕获和稳态运行时航天器的姿态控制。

根据红外地球敏感器内部是否含机械扫描机构，可分为扫描式和静态两类：其中扫描式又可分为圆锥扫描式(单圆锥、双圆锥)和摆动扫描式两种，而静态则分为线阵和面阵两种。

其中，线阵红外地球敏感器中探测器位于光学系统的焦平面上，属于凝视型结构。当航天器运行于地球上空时，从太空航天器上观察地球时，得到相当于在4K冷背景中的一个平均亮温约为220K～240K的圆盘，圆盘的边缘称为地平圆。航天器运行于地球上空时，红外地球敏感器通过线列阵红外探测器检测地平圆的4个方位上14μm～16.25μm波段的地球红外辐射能量，确定线列阵红外探测器对应地平圆4个点的方位角位置，根据之间的几何关系，实现对卫星姿态的测量，得到航天器相对于地球当地垂线的俯仰角和滚动角。

目前，我国研发了一款新型线阵列红外地球敏感器采用典型设计，按“X”结构对称排列四个探头(光学系统和探测器组成，探测器位于光学系统焦平面上)，滚动轴与星体飞行方向一致，而俯仰轴垂直与轨道面。A、B、C、D四个探头与滚动轴和俯仰轴成45°分布，相邻两个探头光轴夹角为90°。该款线阵列红外地球敏感器具有以下特点：(1)精度小于0.1°(3σ)；(2)可适应于轨道可变的飞行器；(3)可适应于不同工作模式；(4)姿态最佳状态范围可达到±20°(单轴)；(5)质量轻、体积小、功耗低。

因红外地球敏感器在轨观测对象为地球，地面无法直接进行验证试验。为了保证在轨的正常、正确使用，地面对红外地球敏感器进行性能测试及半物理、全物理仿真是必然的。现有手段主要有两种形式，设计专用的地球模拟器(模拟光信号，提高光激励源)和单元测试设备(模拟电信号，提供电激励源)。虽然地球模拟器模拟光信号的相似度更高，测试覆盖性更大，但其体积大、使用局限大，较多场合仍采用单元测试设备进行测试。这就要求单元测试设备提供的电信号能够具备较好的性能，匹配相应红外地球敏感器的测试和使用需要。

现有对电信号源性能参数与偏差要求如下：能够覆盖红外地球敏感器测量的设计轨道范围，在任意轨道下电激励信号姿态范围均能够覆盖红外地球敏感器测量范围，同时也满足4/4,3/4,2/4等各种工作模式；姿态仿真精度：小于0.1°；各通道一致性：不大于5％；更新响应时间不大于红外地球敏感器解算频率。

发明内容

本发明的目的在于提供基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法，匹配相应红外地球敏感器的性能测试、半物理仿真等，保证红外地球敏感器在轨的正常、正确使用。

基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法,其特征在于包括以下步骤：

(1)、获得任意穿越位置X，其值为n+x，n为其整数部分，x为其小数部分，X的范围为从0到N、不含N的任意数，其中N为线阵红外地球敏感器探测器元数，其值为大于6的整数；

(2)、根据线阵红外地球敏感器提供的时序信号，其值为t，t为0到N-1的整数，和穿越位置n+x，控制器按照以下情况计算D/A设置参数值并控制输出，其中D/A转换基准参数值为k₀，范围为0到2^w的整数，w为D/A转换的精度位数，D/A转换幅度参数值为k，范围为0到不大于的整数：

当t＜n-2时，D/A设置参数值为k₀；当t＝n-2时，D/A设置参数值为不大于k₀+k-kx的最大整数；当t＝n-1时，D/A设置参数值为不大于k₀+2k-kx的最大整数；当t＞n-1时，D/A设置参数值为不大于k₀+2k的最大整数；

(3)、按步骤(1)和(2)，对A通道依次从0到N、间隔值为0.1设置穿越位置X，并将模拟输出的电信号注入线阵红外地球敏感器中，由线阵红外地球敏感器获得该设置值下该通道解算的穿越位置，其值为a_x，并计算其与设置值的偏差，共10N+1组，计算所有偏差的均值a_c；

从a_c-0.5到a_c+0.5、间隔值为0.01依次取值a_s，计算满足与所有偏差的平方平均最小的a_s即为A通道适应性修正参数，其值为△a；

(4)、按步骤(3)，依次获得B、C、D通道适应性修正参数，其值对应依次为△b、△c、△d；

(5)、在任意轨道高度下，根据公式，计算零姿态穿越位置的理论值L，其值为l，其中h为线阵红外地球敏感器工作的轨道高度，单位为km，θ为地球敏感器每个像元的视场角，H₀为线阵红外地球敏感器设计的标称轨道高度，单位为km；

(6)、根据线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表按以下方法进行，获得在理论值为l时，A、B、C、D通道穿越位置标定零位的值a₀、b₀、c₀、d₀；线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表的内容为不同理论值L对应的A通道穿越位置标定零位A₀、B通道穿越位置标定零位B₀、C通道穿越位置标定零位C₀和D通道穿越位置标定零位D₀：

若由步骤(5)获得的l在该表中可查，则直接从表中获得；

若由步骤(5)获得的l在表中不可查，则选取不大于l的最小组数据，这组数据的理论值L和A、B、C、D通道穿越位置标定零位A₀、B₀、C₀、D₀的值分别记为l₁、a₁、b₁、c₁、d₁，和不小于l的最大组数据，这组数据的理论值L和A、B、C、D通道穿越位置标定零位A₀、B₀、C₀、D₀的值分别记为l₂、a₂、b₂、c₂、d₂。按以下公式，计算获得：

(7)、按如下公式，计算A、B、C、D通道穿越位置原始值，其值对应依次为a_y,b_y,c_y,d_y：

其中p、r对应依次分别为卫星姿态俯仰角、滚动角，K_p、K_r对应依次分别为线阵红外地球敏感器俯仰轴、滚动轴线性校准参数；

(8)、按如下公式计算A、B、C、D通道穿越位置适应性校正值，其值对应依次为a_j,b_j,c_j,d_j：

a_j＝a_y+△a，b_j＝b_y+△b，c_j＝c_y+△c，d_j＝d_y+△d；

(9)、根据线阵红外地球敏感器A通道辐射量校正公式f_A进行反算，其中：

f_A(x)＝a₁x²+a₂x+a₃+b₁*sin(2π(x-b₂))

式中a₁、a₂、a₃分别为二次拟合的二次项系数、一次项系数和常数项系数、b₁、b₂分别为正弦函数拟合的幅度系数、相位系数；

从a_j-0.5到a_j+0.5、间隔值为0.001依次取值I_A，最先满足|f_A(I_A+0.5)-I_A|≤0.01的I_A即为A通道穿越位置辐射量校正值，其值为a_f；

(10)、按步骤(9)，依次获得B、C、D通道穿越位置辐射量校正值，其值对应依次为b_f,c_f,d_f；

(11)、若a_f、b_f、c_f、d_f大于0小于N时，修正为0；若当前地球敏感器的工作模式下不需要某通道数据时，则将该通道修正为0；最终得到A、B、C、D通道穿越位置最终值A_o、B_o、C_o、D_o；

(12)、根据步骤(10)获得的A、B、C、D通道穿越位置最终值A_o、B_o、C_o、D_o，按步骤(1)和(2)相对应A、B、C、D四路通道进行D/A转换。

所述的线阵红外地球敏感器电信号产生装置包括计算机、串口驱动器、控制器和四路D/A转换器，其中：

所述的串口驱动器采用232串口驱动器MAX232；

所述的控制器采用微控制器、FPGA或处理器；

所述的四路D/A转换器，精度位数为8位、12位或16位，输出信号幅度范围为-2.5V～2.5V，转换速率不低于时序信号T的频率；

计算机将A、B、C、D通道穿越位置最终值通过串口驱动器注入控制器中，控制器将A、B、C、D通道穿越位置最终值转换成D/A设置参数，通过写操作控制D/A转换器进行数模转换，模拟产生线阵红外地球敏感器所需的电信号。

本发明的优点：

本发明有效解决了线阵红外地球敏感器应用于不同轨道、不同工作模式的姿态模拟问题提供了一种线阵红外地球敏感器的检测手段，保障了线阵红外地球敏感器的电性能测试，为各类测试与仿真提供了条件。

附图说明

图1为装置结构示意图。

图2为整体处理方法流程图。

具体实施方式

按照本发明所述方法，配套某型号飞行器的线阵红外地球敏感器设计了一款电信号产生装置，进行了验证性实验，并结合红外地球敏感器进行误差评估。

验证性实验中，各参量的取值如下：

文中及公式中的标号	取值或参数
		N	16元
θ	2°
		H0	500km
D/A转换信号幅度	-2.5V～2.5V
		D/A转换频率	32Hz
D/A转换器精度	8位
		k0	40
k	80
		理论设计精度	0.038°

地敏测试结果：

测试项	测试值
		精度3δ	＜0.05
测角偏差(＜5°)	＜0.05°
		姿态模拟范围	覆盖地敏测角范围

标定参数如下：

△a＝0.1330，△b＝0.1430，△c＝0.1300，△d＝0.0960。

所需地敏参数如下：

1.四通道辐射量校正公式

f_A＝0.0030x²+0.9561x+0.1343-0.070sin(2π(x-0.42))；

f_B＝0.0018x²+0.9739x+0.0772-0.070sin(2π(x-0.42))；

f_C＝0.0028x²+0.9598x+0.1212-0.070sin(2π(x-0.42))；

f_D＝0.0021x²+0.9697x+0.0924-0.078sin(2π(x-0.42))。

2.轨道零位标定表

3.俯仰轴、滚动轴线性校准参数

K_p＝1.038，K_r＝1.038。

Claims (2)

1.基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法,其特征在于包括以下步骤：

(1)、获得任意穿越位置X，其值为n+x，n为其整数部分，x为其小数部分，X的范围为从0到N、不含N的任意数，其中N为线阵红外地球敏感器探测器元数，其值为大于6的整数；

(2)、根据线阵红外地球敏感器提供的时序信号，其值为t，t为0到N-1的整数，和穿越位置n+x，控制器按照以下情况计算D/A设置参数值并控制输出，其中D/A转换基准参数值为k₀，范围为0到2^w的整数，w为D/A转换的精度位数，D/A转换幅度参数值为k，范围为0到不大于的整数：

当t＜n-2时，D/A设置参数值为k₀；当t＝n-2时，D/A设置参数值为不大于k₀+k-kx的最大整数；当t＝n-1时，D/A设置参数值为不大于k₀+2k-kx的最大整数；当t＞n-1时，D/A设置参数值为不大于k₀+2k的最大整数；

(3)、按步骤(1)和(2)，对A通道依次从0到N、间隔值为0.1设置穿越位置X，并将模拟输出的电信号注入线阵红外地球敏感器中，由线阵红外地球敏感器获得该设置值下通道解算的穿越位置，其值为a_x，并计算其与设置值的偏差，共10N+1组，计算所有偏差的均值a_c；

从a_c-0.5到a_c+0.5、间隔值为0.01依次取值a_s，计算满足与所有偏差的平方平均最小的a_s即为A通道适应性修正参数，其值为△a；

(4)、按步骤(3)，依次获得B、C、D通道适应性修正参数，其值对应依次为△b、△c、△d；

(5)、在任意轨道高度下，根据公式，计算零姿态穿越位置的理论值L，其值为l，其中h为线阵红外地球敏感器工作的轨道高度，单位为km，θ为地球敏感器每个像元的视场角，H₀为线阵红外地 球敏感器设计的标称轨道高度，单位为km；

(6)、根据线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表按以下方法进行，获得在理论值为l时，A、B、C、D通道穿越位置标定零位的值a₀、b₀、c₀、d₀；线阵红外地球敏感器的轨道零位标定表的内容为不同理论值L对应的A通道穿越位置标定零位A₀、B通道穿越位置标定零位B₀、C通道穿越位置标定零位C₀和D通道穿越位置标定零位D₀：

若由步骤(5)获得的l在该表中可查，则直接从表中获得；

若由步骤(5)获得的l在表中不可查，则选取不大于l的最小组数据，这组数据的理论值L和A、B、C、D通道穿越位置标定零位A₀、B₀、C₀、D₀的值分别记为l₁、a₁、b₁、c₁、d₁，和不小于l的最大组数据，这组数据的理论值L和A、B、C、D通道穿越位置标定零位A₀、B₀、C₀、D₀的值分别记为l₂、a₂、b₂、c₂、d₂；按以下公式，计算获得：

(7)、按如下公式，计算A、B、C、D通道穿越位置原始值，其值对应依次为a_y,b_y,c_y,d_y：

其中p、r对应依次分别为卫星姿态俯仰角、滚动角，K_p、K_r对应依次分别为线阵红外地球敏感器俯仰轴、滚动轴线性校准参数；

(8)、按如下公式计算A、B、C、D通道穿越位置适应性校正值，其值对应依次为a_j,b_j,c_j,d_j：

a_j＝a_y+Δa，b_j＝b_y+Δb，c_j＝c_y+Δc，d_j＝d_y+Δd；

(9)、根据线阵红外地球敏感器A通道辐射量校正公式f_A进行反算，其中：

f_A(x)＝a₁x²+a₂x+a₃+b₁*sin(2π(x-b₂))

式中a₁、a₂、a₃分别为二次拟合的二次项系数、一次项系数和常数项系数、b₁、b₂分别为正弦函数拟合的幅度系数、相位系数；

从a_j-0.5到a_j+0.5、间隔值为0.001依次取值I_A，最先满足|f_A(I_A+0.5)-I_A|≤0.01的I_A即为A通道穿越位置辐射量校正值，其值为a_f；

(10)、按步骤(9)，依次获得B、C、D通道穿越位置辐射量校正值，其值对应依次为b_f,c_f,d_f；

(11)、若a_f、b_f、c_f、d_f大于0小于N时，修正为0；若当前地球敏感器的工作模式下不需要某通道数据时，则将该通道修正为0；最终得到A、B、C、D通道穿越位置最终值A_o、B_o、C_o、D_o；

(12)、根据步骤(10)获得的A、B、C、D通道穿越位置最终值A_o、B_o、C_o、D_o，按步骤(1)和(2)相对应A、B、C、D四路通道进行D/A转换。

2.根据权利要求1所述的基于线阵红外地球敏感器电信号产生装置的模拟方法，其特征在于：所述的线阵红外地球敏感器电信号产生装置包括计算机、串口驱动器、控制器和四路D/A转换器，其中：

所述的串口驱动器采用232串口驱动器MAX232；

所述的控制器采用微控制器、FPGA或处理器；

所述的四路D/A转换器，精度位数为8位、12位或16位，输出信号幅度范围为-2.5V～2.5V，转换速率不低于时序信号T的频率；

计算机将A、B、C、D通道穿越位置最终值通过串口驱动器注入控制器中，控制器将A、B、C、D通道穿越位置最终值转换成D/A设置参数，通过写操作控制D/A转换器进行数模转换，模拟产生线阵红外地球敏感器所需的电信号。