CN106404003B - 一种基于地球信号模拟的测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地球信号模拟的测试方法及测试系统，由运动学计算控制机根据当前的卫星姿态计算红外地球敏感器的穿越角计算值，并输出与穿越角计算值相应的时间值；简易地球信号装置接收运动学计算控制机输出的时间值，和从红外地球敏感器提取的基准脉冲及计数频率信号，来生成地球模拟信号；所述红外地球敏感器接收地球模拟信号，进行地球信号检波与读取并输出穿越角信息；通过外部计算机接收红外地球敏感器输出的穿越角信息进行姿态计算，获取红外地球敏感器的姿态测量值。本发明采用电信号生成的模拟方式进行产品测试，保证对双圆锥扫描式红外地球敏感器产品测试的高效、准确。

Description

一种基于地球信号模拟的测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及红外敏感器的技术领域，特别涉及一种简易的基于地球信号模拟的测试方法及测试系统。

背景技术

红外地球敏感器作为卫星姿态控制系统的配套单机，在轨实现卫星相对于局地垂线的滚动、俯仰姿态信号的测量，用于卫星初始入轨时对地球的捕获及稳态运行时卫星的姿态控制。红外地球敏感器通过光学扫描系统对地球红外地平圆进行双圆锥光学扫描，获取地平辐射信号，经热敏探测器的光电转换获取地球方波信号。

目前在对红外地球敏感器进行产品测试时，通过小地球模拟器或大地球模拟器模拟卫星在太空轨道运行时看到的地球红外图像或相应的辐射功率分布的变化，来获取光路信号。然而，小地球模拟器需要进行机械找零获取地球零位，并进行地球和太空的温控，测试结束后需进行地球模拟器自动回零控制。大地球模拟器需要配合双轴转台进行产品测试，大地球模拟器进行温度场控制，并需要与转台进行校准，校准后模拟器和转台底座固定不动，测试过程转台需模拟卫星位置变化进行角度控制。因此，根据产品的测试方法，目前缺乏一种能够高效、准确进行产品测试的简易地球信号模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易的基于地球信号模拟的测试方法，通过提取特征点，采用电信号生成的模拟方式进行产品测试，保证对双圆锥扫描式红外地球敏感器产品测试的高效、准确。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种基于地球信号模拟的测试方法，其包含：

建立卫星动力学模型，运动学计算控制机进行卫星姿态计算；

建立红外地球敏感器的穿越角数学模型，运动学计算控制机根据当前的卫星姿态计算获得红外地球敏感器的穿越角计算值，并输出与穿越角计算值相应的时间值；

简易地球信号装置接收运动学计算控制机输出的时间值，和从红外地球敏感器提取的基准脉冲及计数频率信号，来生成地球模拟信号；

红外地球敏感器对其接收的地球模拟信号进行地球信号检波与读取，输出穿越角信息；

由外部计算机接收红外地球敏感器输出的穿越角信息进行姿态计算，获取红外地球敏感器的姿态测量值。

本发明的另一个技术方案是提供一种基于地球信号模拟的测试系统，包含：红外地球敏感器、运动学计算控制机、简易地球信号装置、外部计算机；

其中，所述运动学计算控制机根据当前的卫星姿态，来计算红外地球敏感器的穿越角计算值，并输出与穿越角计算值相应的时间值；

所述简易地球信号装置接收运动学计算控制机输出的时间值，和从红外地球敏感器提取的基准脉冲及计数频率信号，来生成地球模拟信号；

所述红外地球敏感器对其接收的地球模拟信号，进行地球信号检波与读取，并输出穿越角信息；

所述外部计算机接收红外地球敏感器输出的穿越角信息进行姿态计算，获取红外地球敏感器的姿态测量值。

本发明的又一个技术方案是提供一种地球信号模拟装置，包含简易地球信号装置和与之信号连接的运动学计算控制机及红外地球敏感器。

在上述各方案中，所述运动学计算控制机根据当前的卫星姿态，来计算红外地球敏感器的穿越角计算值，包含：第一太空/地球穿越角的计算值Φ1、第一地球/太空穿越角的计算值Φ2，第二太空/地球穿越角的计算值Φ3、第二地球/太空穿越角的计算值Φ4；

所述简易地球信号装置以从红外地球敏感器提取的基准脉冲Φ₀为触发信号，计数频率信号Φ_r为时钟信号，并根据运动学计算控制机发送的时间值t1、t2、t3、t4，来生成一方波信号作为地球模拟信号发送给红外地球敏感器；

所述方波信号从收到Φ₀起为低电平并开始计时，依次在计时达到t1时对应上升沿有效的Φ1进行高电平转换，在计时达到t2时对应下降沿有效的Φ2进行低电平转换，在计时达到t3时对应上升沿有效的Φ3进行高电平转换，以及在计时达到t4时对应下降沿有效的Φ4进行低电平转换。

本发明提供的所述基于地球信号模拟的测试方法及测试系统，通过对红外地球敏感器产品信号特征提取，采用电信号生成的模拟方法，同时考虑模拟信号的时效性、电接口特性及信号发生规律，来进行信号生成。本发明可以极大简化系统测试，对系统选用红外地球敏感器的联合测试具有重要作用。

本发明可以高效、简易地实现红外地球敏感器接入系统后的闭环测试，相比常规的光路测试，本发明极大地简化了产品接入系统后的测试操作，同时能满足产品的性能测试要求。

附图说明

图1是IRES光学系统扫描光路的示意图；

图2是地球/太空扫描轨迹的示意图；

图3是信号Φ₀的电气及频率信号特性示意图；

图4是信号Φ_r的电气及频率信号特性示意图；

图5是地球信号模拟原理的示意图；

图6是简易地球信号模拟装置的输出信号示意图；

图7是产品测试的流程示意图；

图8是搭建的测试系统示意图；

图9是红外地球敏感器姿态计算曲线。

具体实施方式

本发明提供一种基于地球信号模拟的测试方法，利用产品特性进行信号发生模拟，用于双圆锥扫描式红外地球敏感器(简称IRES)性能测试。本发明中通过提取地球信号的引入位置，采用外部控制方式引入地球穿越信号，并输入到红外地球敏感器测试口，产品通过串口输出数据至外部计算机，由外部计算机通过姿态计算来获取产品的姿态测量数据。

双圆锥扫描式红外地球敏感器的工作原理，是基于对地球和空间背景之间的红外辐射差的敏感，利用光学扫描电机和特殊设计的光学系统对地球进行双圆锥光学扫描，在一个扫描周期内可得到相对敏感器基准脉冲Φ₀的4个地平穿越角：太空/地球穿越角(S/E)Φ₁、Φ₃，地球/太空穿越角(E/S)Φ₂、Φ₄，如图1、图2所示。产品内部FPGA利用计数脉冲，对地平穿越点位置脉冲相对于基准脉冲Φ₀的角位移进行计数，从而获取卫星当前姿态的4个地平穿越角(太空/地球：Φ₁、Φ₃，地球/太空：Φ₂、Φ₄)。本发明即通过提取基准脉冲Φ₀和计数频率信号Φ_r特征信号，进行信号模拟生成。

红外地球敏感器测试口电接口特性如下：

Φ₀作为触发信号，使用频率为1Hz的0V或5V的电平信号，上升沿有效，信号Φ₀的电气及频率信号特性见图3。计数频率信号Φ_r是频率为4096Hz的0V或5V的电平信号，上升沿有效，信号Φ_r的电气及频率信号特性见图4。

根据产品的电接口特性，进行外部输入控制。通过设定符合产品电气接口的地球信号模拟，产生Φ1、Φ3上升沿有效、Φ2、Φ4下降沿有效的方波信号，红外地球敏感器就可以识别地球穿越信息，通过产品串口输出，使外部计算机得以获取并计算卫星姿态的4个穿越角，从而进行卫星姿态计算，地球信号模拟的原理见图5(其中msk开关为控制地球穿越的开关信号，产品默认值可通过外部计算机进行设置)。

基于简易地球信号模拟装置的特性分析，同时考虑信号发生的时效性，对简易装置的输入信号约定为0V或4～7V电平信号。该装置具备高低电平转换能力，其中高低电平转换时间≤1μs，高低电平转换点偏移误差≤1μs；考虑接口匹配性及电气安全性，本装置输出阻抗要求≤50Ω；根据产品特性，要求本装置输出精度≤0.1ms。该装置可识别红外地球敏感器的Φ₀及Φ_r信号，在获取Φ₀信号后，从Φ₀开始计时，通过外部计算机控制计算，依次获取Φ1、Φ2、Φ3、Φ4四个时间点并进行高低电平转换。该简易地球信号模拟装置输出的方波信号示意图见图6。

基于简易地球信号模拟的测试方法流程见图7，搭建的测试系统见图8。其中的运动学计算控制机实现卫星运动学计算，用来获取卫星滚动、俯仰姿态角信息，并建立模型进行4个穿越角的计算并向红外地球敏感器输入；简易地球信号模拟装置接收红外地球敏感器发送的Φ₀信号及运动学计算控制机发送的4个时间值(t1:Φ1-Φ₀，t2:Φ2-Φ₀，t3:Φ3-Φ₀，t4:Φ4-Φ₀，精度±0.000015s)来输出作为地球模拟信号的方波信号；红外地球敏感器接收到地球模拟信号，进行地球穿越信号计算获得4个穿越角数据，并将获得的穿越角数据发送给外部计算机，从而完成单次姿态计算。

参见图7，本发明所述基于地球信号模拟的测试方法的一个具体示例中，包括如下步骤：

步骤一：建立卫星动力学模型，进行卫星运动学姿态计算；

步骤二：建立红外地球敏感器穿越角数学模型，由当前卫星姿态解算红外地球敏感器的穿越角；

步骤三：利用简易地球信号装置进行信号模拟，并将模拟信号送至红外地球敏感器；

步骤四：红外地球敏感器接收简易地球信号模拟装置输出的模拟信号，进行地球信号检波与读取，获取穿越角信息；

步骤五：利用搭建的测试系统，由外部计算机接收红外地球敏感器的数据包来根据穿越角信息进行姿态计算，从而获取红外地球敏感器姿态测量值。

S1、运动学姿态信息计算

根据运动学计算滚动角(R)、俯仰角(P)：

其中，qi(i＝1、2、3、4)为利用星敏感器数据获取的卫星姿态。

S2、穿越角计算数学模型的建立

进行视场判断：当且时进行穿越角计算，否则认为地球信号不在视场内无穿越角输出，具体如下：

α_L＝24.5°是标准轨道夹角，根据卫星轨道特征进行设定；

α＝60°是半圆锥扫描角。

S3、运动学计算控制机的计算

运动学计算控制机计算4个时间值：t1＝Φ1/360×1(s)；t2＝Φ2/360×1(s)；t3＝Φ3/360×1(s)；t4＝Φ4/360×1(s)；并向简易地球信号模拟装置发送。

S4、简易地球信号模拟装置的信号发生

简易地球信号模拟装置接收运动学计算控制机发送的4个时间值(t1:Φ1-Φ₀，t2:Φ2-Φ₀，t3:Φ3-Φ₀，t4:Φ4-Φ₀)，用字表示，精度0.000015s，并接收从红外地球敏感器获得的Φ₀为基准触发信号，Φ_r为时钟信号，用来生成并输出相应的方波信号(见图6)至红外地球敏感器。

S5、红外地球敏感器的穿越角输出

外部计算机接收红外地球敏感器发送的含穿越角信息的数据包，进行卫星姿态计算，完成某个姿态信息测量。

如图9所示的姿态计算曲线,表明该简易地球模拟装置运行稳定，利用搭建的平台可以极大简化系统测试操作，提高测试效率。

综上所述，本发明采用简易、高效的信号模拟，通过动力学计算使红外地球敏感器可以实时连续的获取穿越角检测，从而大大提过了产品测试，并简化了系统测试。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，包含：

建立卫星动力学模型，运动学计算控制机进行卫星姿态计算；

建立红外地球敏感器的穿越角数学模型，运动学计算控制机根据当前的卫星姿态计算获得红外地球敏感器的穿越角计算值，并输出与穿越角计算值相应的时间值；

简易地球信号装置接收运动学计算控制机输出的时间值，和从红外地球敏感器提取的基准脉冲及计数频率信号，来生成地球模拟信号；

红外地球敏感器对其接收的地球模拟信号进行地球信号检波与读取，输出穿越角信息；

由外部计算机接收红外地球敏感器输出的穿越角信息进行姿态计算，获取红外地球敏感器的姿态测量值；

运动学计算控制机获得的穿越角计算值，包含：第一太空/地球穿越角的计算值Φ1、第一地球/太空穿越角的计算值Φ2，第二太空/地球穿越角的计算值Φ3、第二地球/太空穿越角的计算值Φ4；

所述简易地球信号装置以从红外地球敏感器提取的基准脉冲Φ₀为触发信号，计数频率信号Φ_r为时钟信号，并根据运动学计算控制机发送的4个时间值t1、t2、t3、t4，来生成一方波信号作为地球模拟信号；

所述方波信号从收到Φ₀起为低电平并开始计时，依次在计时达到t1时对应上升沿有效的Φ1进行高电平转换，在计时达到t2时对应下降沿有效的Φ2进行低电平转换，在计时达到t3时对应上升沿有效的Φ3进行高电平转换，以及在计时达到t4时对应下降沿有效的Φ4进行低电平转换。

2.如权利要求1所述基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，

所述简易地球信号装置的方波信号为低电平0V、高电平4～7V的信号；所述红外地球敏感器的基准脉冲Φ₀，是频率为1Hz的低电平0V、高电平5V的信号，其上升沿有效；计数频率信号Φ_r是频率为4096Hz的低电平0V、高电平5V的信号，其上升沿有效。

3.如权利要求1所述基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，

所述运动学计算控制机根据穿越角计算值，计算获得相应的4个时间值：

t1＝Φ1/360×1；t2＝Φ2/360×1；t3＝Φ3/360×1；t4＝Φ4/360×1。

4.如权利要求1所述基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，

所述运动学计算控制机获得的穿越角计算值，包含：

其中，标准轨道夹角α_L；半圆锥扫描角α；卫星的滚动角R和俯仰角P。

5.如权利要求4所述基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，

通过视场判断，当|R|≤36°且且时进行穿越角计算，否则认为地球信号不在视场内无穿越角输出。

6.如权利要求4或5所述基于地球信号模拟的测试方法，其特征在于，

计算滚动角R、俯仰角P：

其中，qi，i＝1、2、3、4为利用星敏感器数据获取的卫星姿态。

7.一种基于地球信号模拟的测试系统，适用于权利要求1～6中任意一项所述的测试方法，其特征在于，所述测试系统包含：红外地球敏感器、运动学计算控制机、简易地球信号装置、外部计算机；

其中，所述运动学计算控制机根据当前的卫星姿态，来计算红外地球敏感器的穿越角计算值，并输出与穿越角计算值相应的时间值；

所述简易地球信号装置接收运动学计算控制机输出的时间值，和从红外地球敏感器提取的基准脉冲及计数频率信号，来生成地球模拟信号；

所述红外地球敏感器对其接收的地球模拟信号，进行地球信号检波与读取，并输出穿越角信息；

所述外部计算机接收红外地球敏感器输出的穿越角信息进行姿态计算，获取红外地球敏感器的姿态测量值；

运动学计算控制机获得的穿越角计算值，包含：第一太空/地球穿越角的计算值Φ1、第一地球/太空穿越角的计算值Φ2，第二太空/地球穿越角的计算值Φ3、第二地球/太空穿越角的计算值Φ4；

所述简易地球信号装置以从红外地球敏感器提取的基准脉冲Φ₀为触发信号，计数频率信号Φ_r为时钟信号，并根据运动学计算控制机发送的4个时间值t1、t2、t3、t4，来生成一方波信号作为地球模拟信号；

所述方波信号从收到Φ₀起为低电平并开始计时，依次在计时达到t1时对应上升沿有效的Φ1进行高电平转换，在计时达到t2时对应下降沿有效的Φ2进行低电平转换，在计时达到t3时对应上升沿有效的Φ3进行高电平转换，以及在计时达到t4时对应下降沿有效的Φ4进行低电平转换。

8.一种地球信号模拟装置，其特征在于，包含简易地球信号装置和与之信号连接的运动学计算控制机及红外地球敏感器；

所述运动学计算控制机根据当前的卫星姿态，来计算红外地球敏感器的穿越角计算值，包含：第一太空/地球穿越角的计算值Φ1、第一地球/太空穿越角的计算值Φ2，第二太空/地球穿越角的计算值Φ3、第二地球/太空穿越角的计算值Φ4；

所述运动学计算控制机计算并输出与穿越角计算值相应的时间值：t1＝Φ1/360×1；t2＝Φ2/360×1；t3＝Φ3/360×1；t4＝Φ4/360×1；

所述简易地球信号装置以从红外地球敏感器提取的基准脉冲Φ₀为触发信号，计数频率信号Φ_r为时钟信号，并根据运动学计算控制机发送的时间值t1、t2、t3、t4，来生成一方波信号作为地球模拟信号发送给红外地球敏感器；

所述方波信号从收到Φ₀起为低电平并开始计时，依次在计时达到t1时对应上升沿有效的Φ1进行高电平转换，在计时达到t2时对应下降沿有效的Φ2进行低电平转换，在计时达到t3时对应上升沿有效的Φ3进行高电平转换，以及在计时达到t4时对应下降沿有效的Φ4进行低电平转换。