CN107529374B - 一种惯性姿态敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惯性姿态敏感器，包括三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、数据处理单元电路并分别与电源相连，惯性姿态敏感器通过接插件与计算机相连，所述的惯性姿态敏感器设有一个壳体，三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理电路置于壳体上；数据处理单元电路通过接插件分别与三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头相连通。本发明利用星敏感器测量精度高、光纤陀螺动态测量能力强的优点，通过一体化集成、优化数据融合和滤波技术，克服陀螺测量姿态时误差随时间累积和星敏感器高动态性能差的缺点，实现了惯性姿态角和角速度的高精度、高动态实时输出，满足卫星对定姿的需求。

Description

一种惯性姿态敏感器

技术领域

本发明涉及卫星控制技术，特别属于一种卫星惯性姿态敏感器测量单机。

背景技术

在轨操控飞行器飞行期间，对卫星的定向有预定的要求。随着对应用卫星高精度、长寿命、高可靠性的发展趋势要求，对姿态确定精度的要求也越来越高。为获得准确的卫星姿态信息，采用星敏感器/陀螺组合的测量方式成为现代卫星普遍采用的配置模式。

星敏感器是天文导航器件，其特点是输出姿态精度较高，无误差累积。而陀螺组合测量姿态信息具有连续性好、自主性强和实时性高等优点，但误差容易随时间累积。因此，采用星敏感器/陀螺组合形成惯性姿态敏感器，利用星敏感器精度高的优点，克服陀螺测姿误差随时间累积的缺点，通过一体化设计技术、智能集成技术、优化数据融合技术和滤波技术，充分发挥各子系统的优势，实现惯性姿态角和角速度的高精度、实时输出，满足卫星对定姿的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种惯性姿态敏感器，它能够输出高精度姿态角度和角速度信息。

为解决上述技术问题，本发明的一种惯性姿态敏感器，包括三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路，三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路与电源相连，惯性姿态敏感器通过数据处理单元电路上接口与计算机相连接，其结构要点是：设一个壳体，将三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理电路板置于壳体上；数据处理单元电路通过接插件分别与三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头相连通。三个星敏感器光学探头之间相互独立，构成三视场星敏感器，在测量时同时将图像中的星像坐标和当前的曝光时刻发送给数据处理单元电路，完成惯性空间姿态角度测量。三个单轴光纤陀螺表头传送三轴的角速度信息。惯性姿态敏感器数据处理单元电路在接收到三视场星敏感器和光纤陀螺的测量信息后，完成航天器的姿态确定、误差估计的计算，并将计算结果通过RS422接口传输给GNC计算机。

所述的壳体呈六角锥体形，三个螺孔按120°夹角均布在锥体面上，三个星敏感器光学探头分别与三个螺孔螺纹相连接，锥体内设有孔，三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路通过支架置于壳体孔内，与壳体相连接。按120°夹角均布的三个星敏感器光学探头各视轴相互垂直、两两之间的夹角为90°。通过三个探头测量数据的融合，可解决单个探头在视线轴方向上测量精度较其余两轴偏低的缺点。

所述的数据处理单元电路包括DSP处理模块、FPGA逻辑及时序控制模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、SRAM图像存储模块、电压转换模块，DSP处理模块分别与FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、RS422接口通信模块、LVDS接口通信模块、电压转换模块相连，FPGA逻辑及时序控制模块分别与SRAM图像存储模块、DSP处理模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、电压转换模块相连。

本发明采用的一体化结构，与现有技术相比，其优点和有益效果是：采用智能集成、优化数据融合和滤波技术，使整体结构紧凑；充分利用星敏感器姿态测量精度高、光纤陀螺动态性能强的优点，克服陀螺测量姿态时误差随时间累积和星敏感器在高动态状况下无法输出测量信息的缺点，实现了惯性姿态角和角速度的高精度、高动态实时测量。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的惯性姿态敏感器框图；

图2为本发明的惯性姿态敏感器结构示意图。

图中，支架1、数据处理单元电路2、三个单轴光纤陀螺表头3、壳体4、三个星敏感器光学探头5。

具体实施方式

如图1所示，为本发明惯性姿态敏感器框图，三个星敏感器光学探头5、三个单轴光纤陀螺表头3、一个数据处理单元电路2与电源相连，惯性姿态敏感器通过数据处理单元电路2上接口与GNC计算机相连接。数据处理单元电路2通过接口分别与三个星敏感器光学探头5、三个单轴光纤陀螺表头3相连通。三个星敏感器光学探头5同时将图像中的星像坐标和当前的曝光时刻发送给数据处理单元电路2，完成惯性空间姿态角度测量。三个单轴光纤陀螺表头3完成三轴角速度信息测量。惯性姿态敏感器的数据处理单元电路2在接收到三视场星敏感器和光纤陀螺的测量信息后，完成航天器的姿态确定、误差估计的计算，并将计算结果通过RS422接口传输给GNC计算机。

三个探头5之间相互独立。考虑到传输时间延迟的问题，三个探头5传送给数据处理单元电路2的不是整幅图像，而是图像中的星像坐标，为便于数据处理单元电路2对三个探头5的数据融合，解决计算过程中的同步性问题，三个探头5除了给数据处理单元电路2传输图像中的星像坐标外，还把当前探头5曝光时的时刻发送给数据处理单元电路2。三个探头5与数据处理单元电路2除了存在数据信号连接以外，还分别与之连接一个I/O信号，数据处理单元电路2除了处理数据以外，还每秒在I/O上产生秒脉冲，周期地给三个探头5校时，在两个校时周期内，三个探头5分别自主守时。三个单轴光纤陀螺通过RS422接口与惯性姿态敏感器数据处理单元电路2相连，传送三轴的角速度信息。惯性姿态敏感器数据处理单元电路2在接收到三视场星敏感器和光纤陀螺的测量信息后，通过数据融合和滤波，完成航天器的姿态确定、误差估计的计算，并将计算结果通过RS422接口传输给GNC计算机。

如图2所示，惯性姿态敏感器的壳体4将三个星敏感器光学探头5、三个单轴光纤陀螺表头3、一个数据处理电路2置于壳体4上。壳体4呈六角锥体形，锥体内加工一个孔，在锥体面上的三个面上加工有三个螺孔，即三个螺孔按120°夹角均布，三个星敏感器光学探头5分别通过螺纹与壳体4的三个螺孔相连接。加工一个支架，三个单轴光纤陀螺表头3、一个数据处理单元电路2通过支架1置于壳体4的孔内，支架1通过四个螺钉与壳体4底部相连接。按120°夹角均布的三个星敏感器光学探头5各视轴相互垂直、两两之间的夹角为90°。通过三个探头5测量数据的融合，可解决单个探头5在视线轴方向上测量精度较其余两轴偏低的缺点。

惯性姿态敏感器上安装三个星敏感器光学探头5，构成多视场星敏感器。这种结构扩大了星敏感器的视场范围，在同等星等探测门限情况下，可观测到的恒星不仅数量增多，而且观测矢量的空间分布分散，从而使星图识别的概率增加，提高了三轴姿态解算的精度。同时，通过三个星敏感器光学探头5测量信息的融合，可有效消除单视场星敏感器视轴方向姿态测量精度低于其余两轴测量精度的缺陷，实现三轴姿态测量精度达到同一量级。

数据处理单元电路2包括DSP处理模块、FPGA逻辑及时序控制模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、SRAM图像存储模块、电压转换模块，DSP处理模块分别与FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、RS422接口通信模块、LVDS接口通信模块、电压转换模块相连，FPGA逻辑及时序控制模块分别与SRAM图像存储模块、DSP处理模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、电压转换模块相连。

Claims (4)

1.一种惯性姿态敏感器，包括三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路，三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路与电源相连，惯性姿态敏感器通过数据处理单元电路上接口与计算机相连接，其特征在于：

设一个壳体，将三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理电路置于壳体上；

数据处理单元电路通过接插件分别与三个星敏感器光学探头、三个单轴光纤陀螺表头相连通。

2.如权利要求1所述的惯性姿态敏感器，其特征在于：所述的壳体呈六角锥体形，三个螺孔按120°夹角均布在锥体面上，三个星敏感器光学探头分别与三个螺孔螺纹相连接，锥体内设有孔，三个单轴光纤陀螺表头、一个数据处理单元电路通过支架置于壳体孔内，与壳体相连接。

3.如权利要求2所述的惯性姿态敏感器，其特征在于：所述的按120°夹角均布的三个星敏感器光学探头各视轴相互垂直、两两之间的夹角为90°。

4.如权利要求1所述的惯性姿态敏感器，其特征在于：所述的数据处理单元电路包括DSP处理模块、FPGA逻辑及时序控制模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、SRAM图像存储模块、电压转换模块，DSP处理模块分别与FLASH程序存储模块、SDRAM数据存储模块、RS422接口通信模块、LVDS接口通信模块、电压转换模块相连，FPGA逻辑及时序控制模块分别与SRAM图像存储模块、DSP处理模块、LVDS接口通信模块、RS422接口通信模块、电压转换模块相连。