CN106843246B - 一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法，采取使用GPS秒脉冲进行时间锁存后计算获得GPS秒冲接收时刻，并利用数管分系统或星务分系统转发的GPS整秒时间，进行系统时间漂移的计算，对当前周期进行绝对校时的补偿；同时通过PI控制算法运算，使得该漂移偏差逐渐收敛至精确值。在非秒脉冲校时周期，系统按每周期均匀分配的时间漂移量补偿值进行周期性补偿，即在控制周期为125ms的情况下按照时间漂移补偿量的1/8实现控制分系统的均匀校时功能。此外在动中成像过程中，为防止校时调整带来姿态波动，在此期间系统自动停止引入GPS校时功能，使用PI算法得到收敛的作为任务期间时间补偿，完成系统的高精度控制。

Description

一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法

技术领域

本发明涉及遥感卫星高定姿精度主动扫描动中成像的系统，也可用于其它高时间精度要求的卫星系统。

背景技术

卫星动中成像工作模式采用预置方式建立成像所需的初始状态。与常规的姿态规划不同，动中成像除了需要规划姿态角外，还需要规划成像时刻的姿态角速度和角加速度。姿态规划时，需要预先规划动中成像起始时刻，并根据该时刻卫星所在位置、地面成像点指向、地面成像轨迹规划，计算出目标姿态角、角速度和角加速度，规划过程时间精度及波动稳定情况直接影响卫星指向及成像质量，因此对系统时间管理有了更为严格的要求。

动中成像前需要进行姿态规划(按照提前100s计算)，成像过程时长约100s，控制分系统钟漂按10ppm估算。若完全不采用时间管理措施，动中成像过程中时间积累偏移最大将达到2ms。由时间造成的规划姿态偏差对地面定位影响将达到10m以上。而整星动中成像时的定位精度要求为优于100m，指标分配要求时间误差对定位精度的影响要求小于0.5m，因此必须采用有效的时间管理措施。

若采用传统的GPS高精度校时方式，理想情况系统时间精度虽能达到10us/1s的能力，但由于动中成像姿态规划需要采用差分方式计算控制力矩，在0.125秒控制周期中，校时执行周期10us时间调整产生的姿态角的误差将放大8倍影响角速度执行结果，进而再放大8倍影响角加速度执行结果，因此离散周期校时方法将直接导致卫星动中成像时出现1s频率的姿态波动，姿态稳定度波动量达0.01°/s，无法满足卫星姿态稳定度小于0.002°/s要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法，能够在提高系统时间精度的同时，实现系统的姿态规划、执行平稳的设计。

本发明的技术方案：一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法，步骤如下：

1)获取GPS校时周期的时刻误差

11)获取GPS秒脉冲对应的控制分系统本地时间，即GPS秒脉冲下降沿锁存的时刻对应的控制分系统星时；

12)通过与数管分系统通讯，获得GPS秒脉冲对应的GPS整秒时刻；

13)检查并确认GPS时间与控制分系统时间差值在设定的阈值内，防止GPS整秒时刻发生错误时将控制分系统时间错误校时；

14)将控制分系统与GPS系统的时间误差引入校时系统，对控制分系统本周期时间进行校正，得到收敛后的时间漂移补偿量；

15)对于下一个GPS秒脉冲校时周期，将新的时间漂移补偿量继续引入校时系统，使控制分系统时间与GPS时间逐步逼近；

2)补偿非GPS校时周期的时刻误差：

根据步骤1)中PI计算的收敛后的时间漂移补偿量，对每个周期进行1/8时间漂移补偿量的分周期补偿；

3)判断是否为动中成像模式，并进行相应控制

31)若系统当前工作模式为动中成像模式，则系统自动停止引入新的GPS时间误差，采用步骤14)得到的收敛后的时间漂移补偿量作为动中成像模式中的稳定时间补偿，完成系统的高精度控制；

32)若系统当前工作模式不为动中成像模式，则系统返回步骤1)继续进行系统校时。

步骤14)的具体计算过程如下：

控制分系统星上计算机使用GPS秒脉冲进行时间锁存后计算获得GPS秒冲接收时刻，记第1s对应的星上星时为T11，数管分系统转发的GPS整秒时间为T21，记第2s对应的星上星时为T12，数管分系统转发的GPS整秒时间为T22，…，记第ns对应的星上星时为T1n，数管分系统转发的GPS整秒时间为T2n；将ΔTn＝T2n-T1n作为第n秒补偿量对星上时间进行校准；计算Δt2＝T12-T11，Δt3＝T13-T12，…，系统采用PI控制算法进行系统时间漂移补偿量的计算，作为系统时间补偿的基础，使得该补偿量收敛，得到时间漂移补偿量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)校时平稳：校时周期由原来的1s提高至0.125s(根据型号控制周期需要)，并可以实现相邻GPS秒脉冲硬件校时误差的平稳过渡，将1s晶振漂移的误差在每个控制周期内均补偿。

(2)校时精确：采用PI校时控制算法，可以根据实际需求修改相应的参数，改变校时精度和误差收敛速度，可实现校时时刻的误差在0.1us以下，并可进一步提高；该方法校时精度高、灵活、可实现在轨注入修改参数。可将由时间误差导致的定位精度提高至优于0.3m。

(3)自主切换：在时间稳、准的基础上，实现系统根据模式自主切换校时方式，解决了动中成像模式姿态抖动问题，实现动中成像模式过程中的高精度控制，即使用精确的时间误差估计值，在动中成像模式中稳定校时，实现姿态的高精度稳态控制，同时，实现时间系统与GPS系统高精度一致。

附图说明

图1是本发明校时方案流程图；

图2是GPS秒脉冲高精度校时时序示意图；

图3是1s内的均匀校时示意图。

具体实施方式

GPS：Global Position System，全球定位系统；

AOCC：Attitude and Orbit Control Computer，姿轨控计算机；

OBDH：On_Board Data Handling system，星载数据处理系统；

UTC：Universal Time Coordinated，时间协调时间。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

1)获取GPS校时周期的时刻误差：

11)获取GPS秒脉冲对应的控制分系统本地时间，即GPS秒脉冲下降沿锁存的时刻对应的控制分系统星时。

如图2中T1_mmc，该时间为在上周期精确校时的基础上，进行的时钟计时得到；

12)通过与数管分系统通讯，获得GPS秒脉冲对应的GPS整秒时刻。

如图2中t1_mmc，该时间为数管分系统通过总线发送的时间数据码，由数管分系统根据GPS秒脉冲对应整秒时刻，进行UTC时间处理得到；

13)检查GPS时间与控制分系统时间差值是否在合理的阈值内，防止GPS整秒时刻发生错误时将控制分系统时间错误校时；

14)将控制分系统与GPS系统的时间误差引入校时系统，对控制分系统本周期时间进行校正，计算过程如下：

控制分系统星上计算机使用GPS秒脉冲进行时间锁存后计算获得GPS秒冲接收时刻，记第1s对应的星上星时为T11，数管分系统转发的GPS整秒时间为T21，记第2s对应的星上星时为T12，数管分系统转发的GPS整秒时间为T22，…，记第ns对应的星上星时为T1n，数管分系统转发的GPS整秒时间为T2n，如图1所示。

将ΔTn＝T2n-T1n作为第n秒补偿量对星上时间进行校准，即将GPS秒脉冲对应的第1次校时做绝对校时处理:

结合图2，第2个控制周期对应星时计数器的数值为T2_125，对应的绝对星时(AOCC应用软件星时)为t2_125。在第2控制周期内OBDH给AOCC发送对应秒脉冲的整秒时刻的时间码t1_mmc。在第3个控制周期，秒脉冲校时公式为：第3周期根据GPS秒脉冲计算的绝对星时为t3_125＝t1_mmc+|T1_mmc-T3_125|。

计算Δt2＝T12-T11，Δt3＝T13-T12，…，系统采用PI控制算法进行系统时间漂移补偿量的计算，作为系统时间补偿的基础，经过运算，使得该补偿量收敛，得到时间漂移补偿量，如图2所示：

ΔT＝t1_mmc-t1_125-|T1_mmc-T1_125|。△tn为GPS校时周期的累计均匀校时调整量(收敛于△t0)，计算过程为：△tn＝△t(n-1)+0.1×△Tn。

15)对于下一个GPS秒脉冲校时周期，将新的时间漂移补偿量继续引入校时系统，使控制分系统时间与GPS时间逐步逼近；

2)补偿非GPS校时周期的时刻误差：

由于控制分系统周期为125ms，即每1s有8个控制周期，而GPS每1s有1次GPS秒脉冲校时。对于每1s中的非GPS校时的7个控制周期采用PI校时算法对时间进行校时。

根据步骤1)中PI计算的校时量，对每个周期进行1/8时间漂移补偿量的分周期补偿，如图3所示；

3)判断是否为动中成像模式：

31)若系统当前工作模式为动中成像模式，则系统自动停止引入新的GPS时间误差，采用收敛后的时间漂移补偿量作为动中成像模式中的稳定时间补偿，完成系统的高精度控制；

32)若系统当前工作模式不为动中成像模式，则系统返回步骤1)继续进行系统校时。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法，其特征在于步骤如下：

1)获取GPS校时周期的时刻误差

11)获取GPS秒脉冲对应的控制分系统时间，即GPS秒脉冲下降沿锁存的时刻对应的控制分系统星时；

12)通过与数管分系统通讯，获得GPS秒脉冲对应的GPS整秒时刻；

13)检查并确认GPS时间与控制分系统时间差值在设定的阈值内，防止GPS整秒时刻发生错误时将控制分系统时间错误校时；

14)将控制分系统与GPS系统的时间误差引入校时系统，对控制分系统本周期时间进行校正，得到收敛后的时间漂移补偿量；

15)对于下一个GPS秒脉冲校时周期，将新的时间漂移补偿量继续引入校时系统，使控制分系统时间与GPS时间逐步逼近；

2)补偿非GPS校时周期的时刻误差：

根据步骤1)中计算的收敛后的时间漂移补偿量，对每个周期进行1/8时间漂移补偿量的分周期补偿；

3)判断是否为动中成像模式，并进行相应控制

31)若系统当前工作模式为动中成像模式，则系统自动停止引入新的GPS时间误差，采用步骤14)得到的收敛后的时间漂移补偿量作为动中成像模式中的稳定时间补偿，完成系统的高精度控制；

32)若系统当前工作模式不为动中成像模式，则系统返回步骤1)继续进行系统校时。

2.根据权利要求1所述的一种用于动中成像姿态规划的时间控制方法，其特征在于：步骤14)的具体计算过程如下：

控制分系统星上计算机使用GPS秒脉冲进行时间锁存后计算获得GPS秒冲接收时刻，记第1s对应的星上星时为T11，数管分系统转发的GPS整秒时间为T21，记第2s对应的星上星时为T12，数管分系统转发的GPS整秒时间为T22，…，记第ns对应的星上星时为T1n，数管分系统转发的GPS整秒时间为T2n；将ΔTn＝T2n-T1n作为第n秒补偿量对星上时间进行校准；计算Δt2＝T12-T11，Δt3＝T13-T12，…，系统采用PI控制算法进行系统时间漂移补偿量的计算，作为系统时间补偿的基础，使得该补偿量收敛，得到时间漂移补偿量。