CN107747953A - 一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，包含：S1、获取陀螺组合数据的敏感时刻；S2、确定轨道计算时刻；S3、采集星敏感器的姿态数据及曝光时间数据；S4、根据计算机数据及星敏感器的曝光时间数据，计算星敏感器的曝光时刻；S5、根据星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻，计算得到因时间差引起的偏差四元数；S6、计算得到与轨道计算时间同步后的星敏感器的姿态四元数。本发明能够有效的保证卫星姿态确定所需的各种敏感数据和轨道数据的时间同步性，从而获取高精度的可信的卫星姿态。

Description

一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法
技术领域
本发明涉及一种同步方法，具体是指卫星星载多敏感器数据与轨道信息间时间同步的方法，属于卫星姿态确定技术领域。
背景技术
近年来航天科学技术获得了巨大的发展，其应用领域相应的也不断的进行了拓展，对地观测的精度要求也越来越高。高分辨率对地观测要求星上有效载荷能精确控制指向，或通过卫星姿态确定系统获取有效载荷光轴指向信息。在卫星姿态确定系统中，由星敏感器和陀螺组成的姿态确定系统精度较高，是众多航天任务的首选。
星敏感器是目前卫星上使用的精度最高的姿态测量敏感器，其通过测量恒星的观测矢量在卫星坐标系中的方位以及恒星亮度，再利用星历表得到这些恒星在惯性坐标系中的方位，经姿态确定算法计算即可提供卫星在惯性坐标系中的姿态信息。高精度速率(积分)陀螺，可以连续测量星体姿态角速度，作为星体的姿态基准。选用星敏感器和陀螺组合组成高精度姿态测量与确定子系统，其主要原理是考虑了陀螺组合的输出数据连续性及高频噪声低特性和星敏感器的低频噪声低特性，充分利用两个敏感器的优势，利用星敏感器的信息估计出陀螺的常值漂移并进行补偿，由陀螺组合的信息获得连续高精度的姿态角度及姿态角速度信息。
对卫星进行姿态确定时，由星敏感器的测量值可以计算得到测量坐标系与惯性坐标系之间的关系，需再经过与轨道根数有关的轨道坐标系转换后，得到测量坐标系与轨道坐标系之间的转换关系，进而得到本体系与轨道系之间转变的姿态矩阵，其中本体系至测量系的坐标转换矩阵为已知。这里的轨道数据与姿态数据的不同步就会引起姿态确定的误差，进而影响了姿态的确定精度。因此，为了获取高精度的卫星姿态,需要对获取的多敏感器数据时刻与轨道信息时刻的同步方法进行研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，能够有效的保证卫星姿态确定所需的各种敏感数据和轨道数据的时间同步性，从而获取高精度的可信的卫星姿态。
为实现上述目的，本发明提供一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，包含以下步骤：
S1、获取陀螺组合数据的敏感时刻；
S2、确定轨道计算时刻；
S3、采集星敏感器的姿态数据及曝光时间数据；
S4、根据计算机数据及星敏感器的曝光时间数据，计算星敏感器的曝光时刻；
S5、根据星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻，计算得到因时间差引起的偏差四元数；
S6、计算得到与轨道计算时间同步后的星敏感器的姿态四元数。
所述的S1中，具体为：通过向陀螺组合发送采集角度增量的指令，以主动采集陀螺组合的角度增量，同时读取并锁存当前的星上时间，得到陀螺组合数据的敏感时刻T(k)。
所述的S2中，具体为：将陀螺组合数据的敏感时刻T(k)定义为轨道计算时刻t_orbit(k)，即：
t_orbit(k)＝T(k)。
所述的S3中，具体为：通过总线采集星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)和融合姿态曝光时间数据DateMes。
其中，所述的融合姿态数据QRs(1..4)为融合姿态四元数，包含星敏感器输出的原始姿态四元数qmesRc。
其中，所述的融合姿态曝光时间数据DateMes包含：姿态四元数相对于曝光时刻的ETR同步信号的脉冲个数计数值syncCnt_j(k)，以及姿态四元数相对于ETR同步信号的时间偏差值datation_j(k)。
所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、获取计算机数据，包括：由计算机计数的ETR同步信号的脉冲个数计数值SYNC_AOCC_i(k)，以及当前周期ETR同步信号的下降沿时刻T_AOCC；
S42、通过对星敏感器的脉冲个数计数值正确性的判断，计算得到星敏感器的曝光时刻，即：
当SYNC_AOCC_i(k)-SYNC_AOCC_i(k-1)＝syncCnt_j(k)-syncCnt_j(k-1)时，判断星敏感器的脉冲个数计数值正确，计算曝光时刻t_Mes(k)为：
t_Mes(k)＝T_AOCC_i+datation_j(k)×X×10-6-P；
其中，P表示ETR同步信号的一个周期。
所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、计算星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻的时间偏差Δt_Mes(k)为：
Δt_Mes(k)＝t_Mes(k)-t_orbit(k)；
S52、根据轨道运行规律，计算由时间偏差引起的偏差四元数Qmes0mes为：
其中，ωo表示轨道角速度。
所述的S6中，具体为：根据星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)中的原始姿态四元数qmesRc，利用偏差四元数Qmes0mes，计算经时间偏差同步后的星敏感器姿态四元数qmes0Rc为：
综上所述，本发明所提供的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，在不增加多余工况的情况下，利用星上软件的自主性和获取的星敏感器数据，以某一星敏感器时刻作为姿态确定时间基准，再结合星上计算机的计数信息及时间锁存信息，简单有效的对其余的敏感姿态数据的连续性进行判断并得到时间偏差信息，最终获得修正到轨道计算时刻的所有敏感器的姿态数据。计算的方法由星上软件在轨实时进行操作，通过简单的计算方式，即可将星敏感器数据与轨道计算数据进行时间同步，从而提高卫星姿态确定精度。
附图说明
图1为本发明中的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法的流程图。
具体实施方式
通过阅读参照图1所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。
如图1所示，为本发明提供的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，包含以下步骤：
S1、获取陀螺组合数据的敏感时刻；
S2、确定轨道计算时刻；
S3、采集星敏感器的姿态数据及曝光时间数据；
S4、根据计算机数据及星敏感器的曝光时间数据，计算星敏感器的曝光时刻；
S5、根据星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻，计算得到因时间差引起的偏差四元数；
S6、计算得到与轨道计算时间同步后的星敏感器的姿态四元数。
所述的S1中，具体为：星上软件通过向陀螺组合发送采集角度增量的指令，从而主动采集陀螺组合的角度增量，同时读取并锁存当前的星上时间，得到陀螺组合数据的敏感时刻T(k)。
所述的S2中，具体为：将陀螺组合数据的敏感时刻T(k)定义为轨道计算时刻，即计算卫星姿态的时刻t_orbit(k)，得到：
t_orbit(k)＝T(k)。
所述的S3中，具体为：星上软件通过总线，采集星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)和融合姿态曝光时间数据DateMes。
其中，所述的融合姿态数据QRs(1..4)为融合姿态四元数，包含星敏感器输出的原始姿态四元数qmesRc。
其中，所述的融合姿态曝光时间数据DateMes包含：姿态四元数相对于曝光时刻的ETR(External Time Reference，外部时间基准)同步信号的脉冲个数计数值syncCnt_j(k)，以及姿态四元数相对于ETR同步信号的时间偏差值datation_j(k)，即姿态四元数相对于ETR同步信号的以Xμs(X×10-6s)为单位的延时时间。所述的ETR同步信号为产生每个控制周期的硬中断信号源。
所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、星上软件获取计算机数据，包括：由计算机计数的ETR同步信号的脉冲个数计数值SYNC_AOCC_i(k)，以及当前周期ETR同步信号的下降沿时刻T_AOCC；
S42、根据星敏感器的融合姿态曝光时间数据、以及计算机数据，通过对星敏感器的脉冲个数计数值正确性的判断，计算得到星敏感器的姿态四元数的曝光时刻，即：
如SYNC_AOCC_i(k)-SYNC_AOCC_i(k-1)＝syncCnt_j(k)-syncCnt_j(k-1)，判断星敏感器的脉冲个数计数值正确，即星敏感器的姿态四元数连续，计算曝光时刻t_Mes(k)为：
t_Mes(k)＝T_AOCC_i+datation_j(k)×X×10-6-P；
其中，t_Mes(k)的单位为秒；P表示ETR同步信号的一个周期，单位为秒；X是自然数，为协议定义的一个固定值；
如SYNC_AOCC_i(k)-SYNC_AOCC_i(k-1)≠syncCnt_j(k)-syncCnt_j(k-1)，判断星敏感器的脉冲个数计数值不正确，即星敏感器的姿态四元数不连续，当前星敏感器的姿态四元数无效，退出并结束。
所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、计算星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻的时间偏差Δt_Mes(k)为：
Δt_Mes(k)＝t_Mes(k)-t_orbit(k)；
其中，Δt_Mes(k)的单位为秒；
S52、根据轨道运行规律，计算由时间偏差引起的偏差四元数Qmes0mes为：
其中，ωo表示轨道角速度。
所述的S6中，具体为：根据星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)中的原始姿态四元数qmesRc，利用偏差四元数Qmes0mes，计算经时间偏差同步后的星敏感器姿态四元数qmes0Rc为：
通过上述计算，最终获得星敏感器的原始姿态四元数qmesRc经时间偏差同步后的姿态四元数qmes0Rc。
综上所述，本发明所提供的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、利用星上软件的强自主性获得陀螺组合数据的敏感时刻，并作为轨道计算时刻；再利用所获取的星敏感器信息，结合计算机计数信息及时间信息，简单有效的对星敏感器姿态数据的连续性进行判断并得到时间偏差信息，最终获得修正到轨道计算时刻的所有星敏感器的姿态数据；
2、计算的方法由星上软件在轨实时判断并修正，通过简单的计算方式，即可将星敏感器数据与轨道计算数据进行时间同步，从而提高卫星姿态的确定精度。
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 (9)

1.一种多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取陀螺组合数据的敏感时刻；
S2、确定轨道计算时刻；
S3、采集星敏感器的姿态数据及曝光时间数据；
S4、根据计算机数据及星敏感器的曝光时间数据，计算星敏感器的曝光时刻；
S5、根据星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻，计算得到因时间差引起的偏差四元数；
S6、计算得到与轨道计算时间同步后的星敏感器的姿态四元数。
2.如权利要求1所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S1中，具体为：通过向陀螺组合发送采集角度增量的指令，以主动采集陀螺组合的角度增量，同时读取并锁存当前的星上时间，得到陀螺组合数据的敏感时刻T(k)。
3.如权利要求2所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S2中，具体为：将陀螺组合数据的敏感时刻T(k)定义为轨道计算时刻t_orbit(k)，即：t_orbit(k)＝T(k)。
4.如权利要求3所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S3中，具体为：通过总线采集星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)和融合姿态曝光时间数据DateMes。
5.如权利要求4所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的融合姿态数据QRs(1..4)为融合姿态四元数，包含星敏感器输出的原始姿态四元数qmesRc。
6.如权利要求5所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的融合姿态曝光时间数据DateMes包含：姿态四元数相对于曝光时刻的ETR同步信号的脉冲个数计数值syncCnt_j(k)，以及姿态四元数相对于ETR同步信号的时间偏差值datation_j(k)。
7.如权利要求6所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：
S41、获取计算机数据，包括：由计算机计数的ETR同步信号的脉冲个数计数值SYNC_AOCC_i(k)，以及当前周期ETR同步信号的下降沿时刻T_AOCC；
S42、通过对星敏感器的脉冲个数计数值正确性的判断，计算得到星敏感器的曝光时刻，即：
SYNC_AOCC_i(k)-SYNC_AOCC_i(k-1)＝syncCnt_j(k)-syncCnt_j(k-1)时，判断星敏感器的脉冲个数计数值正确，计算曝光时刻t_Mes(k)为：
t_Mes(k)＝T_AOCC_i+datation_j(k)×X×10-6-P；
其中，P表示ETR同步信号的一个周期。
8.如权利要求7所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：
S51、计算星敏感器的曝光时刻与轨道计算时刻的时间偏差Δt_Mes(k)为：Δt_Mes(k)＝t_Mes(k)-t_orbit(k)；
S52、根据轨道运行规律，计算由时间偏差引起的偏差四元数Qmes0mes为：
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其中，ωo表示轨道角速度。
9.如权利要求8所述的多敏感器数据与轨道信息时间同步方法，其特征在于，所述的S6中，具体为：根据星敏感器的融合姿态数据QRs(1..4)中的原始姿态四元数qmesRc，利用偏差四元数Qmes0mes，计算经时间偏差同步后的星敏感器姿态四元数qmes0Rc为：
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