CN106494648A - 两台星敏感器的在轨表决系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两台星敏感器的在轨表决方法，该方法包含：判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性；若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。本发明揭示了一种两台星敏感器表决策略，实现在两台星敏单机故障诊断均正常情况下，识别其输出数据的真伪，单机配置简单、系统可靠，在单机冗余度不足的情况下完成故障诊断及表决策略，保证卫星在轨运行安全。

Description

两台星敏感器的在轨表决系统和方法

技术领域

本发明涉及航天器在轨运行控制领域，具体涉及两台星敏感器的在轨表决系统和方法。

背景技术

作为300kg的小卫星平台，针对任务的快速性、时间短的特点，要求系统不需要单机的备份冗余。因此系统的可靠性不依赖于单机备份，通过采取系统级的措施，识别风险，并最大程度的降低风险，保证卫星的在轨稳定运行。

浦江一号卫星姿轨控采用三轴稳定的零动量控制方案，配置两台国产星敏感器，一套半液浮陀螺组合。

根据目前在轨星敏使用情况，存在星敏输出有效，但数据为错误数据的现象，针对此类故障，如何甄别星敏输出的真伪，对于仅仅配置两台星敏的浦江一号是一个关键问题。相对于以往型号也有所不同。通常零动量卫星大多配置三台或三台以上的星敏，当三台星敏数据均有效时，可以通过“三取二”的措施确定系统控制使用的星敏；而浦江一号的星敏配置方案，仅有两台星敏，当两台星敏数据均有效而且数据不一致时，如何确定两台星敏数据的真伪，必须设计一个表决策略。

发明内容

本发明提供一种两台星敏感器的在轨表决系统和方法，实现在两台星敏单机故障诊断均正常情况下，识别其输出数据的真伪，完成故障诊断及表决策略。

为实现上述目的，本发明提供一种两台星敏感器的在轨表决方法，其特点是，该方法包含：

判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性；

若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。

上述判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据一致性之前，分别对第一星敏感器和第二星敏感器进行故障诊断，若都正常再进行一致性比对。

上述判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性的方法包含：

根据第一星敏感器和第二星敏感器相对轨道系的Q_ob值，以相同的转序定义，分别计算第一星敏感器和第二星敏感器所在星体相对轨道系的欧拉姿态；

判断第一星敏感器和第二星敏感器解算的三轴欧拉姿态差是否均小于第一预设角度，若是则判定第一星敏感器和第二星敏感器输出一致，若否则判定为不一致。

上述第一预设角度为3度。

上述第一星敏感器和第二星敏感器输出不一致，分别计算第一星敏感器所在星体相对基准的误差四元数AQ_rb和和第二星敏感器所在星体相对基准的误差四元数BQ_rb；

对Q_rb进行标部为正的处理后，分别计算第一星敏感器和第二星敏感器解算的星体相对姿态基准的绕空间欧拉轴的欧拉转角stA_diffangle和stB_diffangle；

若第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle小于第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle，则选择第一星敏感器输出。

上述方法还包含在选定星敏感器后采用陀螺数据进行辅助判断。

上述采用陀螺数据进行辅助判断的方法包含：

步骤a、选定星敏感器后，判断陀螺预设时间t中积分信息与已选星敏感器预设时间t中指向变化的差是否小于第二预设角度；

步骤b、若是则验证星敏感器选定正确；若否则判定选择错误，选用另一台星敏感器，并在选定后跳转回步骤a。

上述第二预设角度为2度，预设时间t为1分钟。

上述欧拉转角的获取方法包含：

姿态基准根据姿态工作模式，是对地基准系、或对日基准系、或机动后的偏置飞行坐标系；

采用式(1)、(2)得到第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle和第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle：

一种上述两台星敏感器的在轨表决方法适用的系统，其特征在于，该系统包含：

一致性判断模块，其判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性；

表决模块，其连接判断模块输出端，若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。

本发明两台星敏感器的在轨表决系统和方法和现有技术相比，其优点在于，本发明揭示了一种两台星敏感器表决策略，实现在在两台星敏单机故障诊断均正常情况下，识别其输出数据的真伪，特别适用于研制周期短、在轨运行时间低于3年的小卫星平台，单机配置简单、系统可靠，在单机冗余度不足的情况下完成故障诊断及表决策略，保证卫星在轨运行安全。

附图说明

图1为本发明两台星敏感器的在轨表决方法的总流程图；

图2为两台星敏感器单机的表决前准备方法流程图；

图3为两台星敏感器输出数据的一致性比对方法流程图；

图4为两台星敏感器输出数据不一致情况下的表决方法及陀螺辅助判断的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，公开了一种两台星敏感器的在轨表决方法，该方法包含以下步骤：

S1、两台星敏感器单机的表决前准备流程。

S2、判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性。

若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据。

若不一致跳转到S3，进行星敏感器输出数据不一致情况下的表决流程。

S3、星敏感器输出数据不一致情况下的表决流程。选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。

S4、两台星敏感器采用陀螺数据辅助判断流程。

如图2所示，为S1，两台星敏感器，即第一星敏感器和第二星敏感器，单机的表决前准备方法流程的实施例，该方法具体包含以下步骤：

S1.1、修正星敏感器一致性比对阈值，该一致性比对阈值的取值范围为大于等于-1度，小于等于3度。本实施例中，一致性比对阈值设为3度。

S1.2、系统判断是否禁止星敏感器一致性判断，若是则停止在轨表决流程，若否则跳转到S1.3。

S1.3、系统判断是否两台星敏感器全部开机，若否则停止在轨表决流程，若是则跳转到S1.4。

S1.4、系统判断CCD星敏感器是否正常无故障，若否则停止在轨表决流程，若是则跳转到S1.5。

S1.5、系统判断APS星敏感器是否正常无故障，若否则停止在轨表决流程，若是则进行第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性比对流程。

如图3所示，为S2，第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性比对方法流程，该方法具体包含以下步骤：

S2.1、根据第一星敏感器A和第二星敏感器B相对轨道系的Q_ob值，以相同的转序定义，分别计算第一星敏感器所在星体相对轨道系的欧拉姿态stA_angle(x)、stA_angle(y)、stA_angle(z)，及第二星敏感器所在星体相对轨道系的欧拉姿态stB_angle(x)、stB_angle(y)、stB_angle(z)。

S2.2、判断第一星敏感器A和第二星敏感器B解算的x、y、z三轴欧拉姿态差是否均小于第一预设角度，该第一预设角度即为一致性比对阈值，第一预设角度取为3度。

若是，则认为两台星敏感器输出一致，则跳转到S2.3。

若否，则两台星敏感器的x、y、z三轴姿态中任意一轴姿态差不满足一致性条件，则判定两个星敏输出不一致，进行星敏感器输出数据不一致情况下的表决流程。

S2.3、根据系统指定的优先级进行星敏感器选择。

如图4所示，公开了S3两台星敏感器输出数据不一致情况下的表决方法流程的实施例。该方法具体包含以下步骤：

S3.1、判断是否进行不一致情况下的表决流程达到预设的次数阈值，该次数阈值设为两次，

若是，已判断两次，则判定两个星敏感器都不可用。

若否，则跳转到S3.2。

S3.2、发生两台星敏感器数据不一致后，通过“小者优先”原则进行判定，选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据，具体如下：

S3.2.1、计算当前控制基准四元数Q_ir(r表示参考系)，对地定向时：Q_ir＝q_io，对日定向时：Q_ir＝q_ir。

S3.2.2、根据两台星敏感器的惯性四元数AQ_ib、BQ_ib，分别计算第一星敏感器所在星体相对基准的误差四元数AQ_rb和和第二星敏感器所在星体相对基准的误差四元数BQ_rb。

S3.2.3、对Q_rb进行标部为正的处理后，根据四元数定义，分别计算第一星敏感器和第二星敏感器解算的星体相对姿态基准的绕空间欧拉轴的欧拉转角stA_diffangle和stB_diffangle。具体的：

姿态基准根据姿态工作模式，是对地基准系、或对日基准系、或机动后的偏置飞行坐标系；

采用式(1)、(2)得到第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle和第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle：

S3.2.4、判断第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle是否小于第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle。

若是，第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle小于第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle，则第一星敏感器输出指向接近当前控制基准，选定第一星敏感器输出数据。

若否，则第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle大于第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle，则第二星敏感器输出指向接近当前控制基准，选定第二星敏感器输出数据。

如图4所示，公开了S4两台星敏感器采用陀螺数据辅助判断方法流程的实施例。该方法具体包含以下步骤：

S4.1、系统判断是否允许使用陀螺数据判断星敏感器，若否则结束表决流程。若是则跳转到S4.2。

S4.2、系统自检陀螺是否故障，若是则结束表决流程。若否则跳转到S4.3。

S4.3、选定星敏感器后，判断陀螺预设时间t中积分信息与已选星敏感器预设时间t中指向变化的差是否小于第二预设角度。其中，第二预设角度选择范围取2度至3度，预设时间t的选择范围取10秒至1分钟。

若是则验证星敏感器选定正确。并清除陀螺积分和星敏指向偏差。

若否则判定选择错误，跳转到S3.1，进行第二次判定，选用另一台星敏感器，例如若上一次表决选定为第一星敏感器A则这次选用第二星敏感器B，若上一次表决选定为第二星敏感器B则这次选用第一星敏感器A。并在选定后跳转到步骤S4.1进行陀螺数据辅助判断。

本发明还公开了一种上述两台星敏感器的在轨表决方法适用的系统，该系统包含：一致性判断模块和表决模块。

一致性判断模块用于判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性。

表决模块用于连接判断模块输出端，若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。

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 (10)

1.一种两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，该方法包含：

判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性；

若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。

2.如权利要求1两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据一致性之前，分别对第一星敏感器和第二星敏感器进行故障诊断，若都正常再进行一致性比对。

3.如权利要求1两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性的方法包含：

根据第一星敏感器和第二星敏感器相对轨道系的Qob值，以相同的转序定义，分别计算第一星敏感器和第二星敏感器所在星体相对轨道系的欧拉姿态；

判断第一星敏感器和第二星敏感器解算的三轴欧拉姿态差是否均小于第一预设角度，若是则判定第一星敏感器和第二星敏感器输出一致，若否则判定为不一致。

4.如权利要求3两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述第一预设角度为3度。

5.如权利要求1或3两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述第一星敏感器和第二星敏感器输出不一致，分别计算第一星敏感器所在星体相对基准的误差四元数AQ_rb和和第二星敏感器所在星体相对基准的误差四元数BQ_rb；

对Q_rb进行标部为正的处理后，分别计算第一星敏感器和第二星敏感器解算的星体相对姿态基准的绕空间欧拉轴的欧拉转角stA_diffangle和stB_diffangle；

若第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle小于第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle，则选择第一星敏感器输出。

6.如权利要求5两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，该方法还包含在选定星敏感器后采用陀螺数据进行辅助判断。

7.如权利要求6两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述采用陀螺数据进行辅助判断的方法包含：

步骤a、选定星敏感器后，判断陀螺预设时间t中积分信息与已选星敏感器预设时间t中指向变化的差是否小于第二预设角度；

步骤b、若是则验证星敏感器选定正确；若否则判定选择错误，选用另一台星敏感器，并在选定后跳转回步骤a。

8.如权利要求7两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述第二预设角度为2度，预设时间t为1分钟。

9.如权利要求4两台星敏感器的在轨表决方法，其特征在于，所述欧拉转角的获取方法包含：

姿态基准根据姿态工作模式，是对地基准系、或对日基准系、或机动后的偏置飞行坐标系；

采用式(1)、(2)得到第一星敏感器的欧拉转角stA_diffangle和第二星敏感器的欧拉转角stB_diffangle：

$stA\_diffangle=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arcsin (2\·{\mathrm{AQ}}_{rb}^2(0)-1)---\left(1\right)$

$stB\_diffangle=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arcsin (2\·{\mathrm{BQ}}_{rb}^2(0)-1)---\left(2\right).$

10.一种如权利要求1至9中任意一项权利要求所述两台星敏感器的在轨表决方法适用的系统，其特征在于，该系统包含：

一致性判断模块，其判断第一星敏感器和第二星敏感器输出数据的一致性；

表决模块，其连接判断模块输出端，若一致则按预设的优先级选定星敏感器的输出数据；若不一致则选定第一星敏感器和第二星敏感器中输出指向与当前控制基准接近的星敏感器输出数据。