CN109029504A - 一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统及方法，该方法是在整星级测试时，通过在恒星敏感器光学探头部分安装动态星模，实现基于光信号的数据传输，从而与地面测试系统配合，完成恒星敏感器的开路测试与闭路测试。该方法可以完整的考核到从恒星敏感器光学探头到控制计算机的通路，不跳过任何一个部件，并通过数管上行指令注入命令与动力学指令的配合，实现高精度的以恒星敏感器为输入的整星级控制分系统闭路测试，可以精确地进行对恒星敏感器的输入与输出的比对，并查看在星敏控制模式中的恒星敏感器运行情况，解决了以往整星测试中无法全面的验证恒星敏感器从光学探头到控制计算机传输通路的动态响应问题。

Description

一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统及方法

技术领域

本发明属于航天器整星级综合测试领域，涉及一种利用动态星模完成整星级恒星敏感器开路测试与闭路测试的方法，主要应用于整星级控制分系统测试中。

背景技术

恒星敏感器是根据双矢量定姿原理，通过敏感恒星辐射来测定卫星相对于惯性坐标系的三轴姿态，是卫星姿态控制系统的重要组成部分，它为系统提供卫星姿态数据，并可以修正陀螺漂移。恒星敏感器一般包括星敏线路盒和星敏光学探头。

以往整星级的控制分系统中关于恒星敏感器的测试，或是通过模拟星敏线路盒电信号，将对应的星敏四元数通过电缆直接发送给星上计算机，或是模拟经星敏光学探头的星图数据输出格式，将星图数字信号传送给星敏线路盒，进而引入控制分系统姿态控制，测试范围都没有覆盖到星敏光学探头。另外还有采用静态星模的测试方法，将其安装于恒星敏感器光学探头上，模拟真正的星图光信号，然而静态星模与控制推进地面测试系统分离，通过专业人员手动转动星模探头，仅能查看星敏在当前时刻固定指向的静态响应是否正确。

可以看出，不论采用以上哪种方法，都无法覆盖到从星敏光学探头到线路盒再到星上控制计算机的整个通路的实时动态响应要求。虽然可以通过静态星模专项测试覆盖到星敏探测全通路，但无法进行精确的数值比对，而且无法验证星敏在闭路测试中的动态响应性能。

发明内容

本发明的目的就在于：提供了一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统及方法，通过开路测试与闭路测试，可以精确地进行对恒星敏感器的输入与输出的比对，并查看在星敏控制模式中的恒星敏感器运行情况，解决了以往整星测试中无法全面的验证恒星敏感器从光学探头到控制计算机传输通路的动态响应问题。

本发明的技术方案为：一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，包括地面测试系统、动态星模；动态星模，包括：光学探头、电子星图计算机；

测试对象为恒星敏感器；整星级测试时，将动态星模的光学探头安装在恒星敏感器光学探头遮光罩上，动态星模的电子星图计算机接入地面测试系统，地面测试系统中预存的动力学软件根据卫星姿态，计算动力学星敏四元数，将动力学星敏四元数传输给动态星模的电子星图计算机；动态星模计算机将动力学星敏四元数实时转化为星空图像；动态星模光学探头将星空图像放映于恒星敏感器遮光罩内，模拟真实星空；

使用动态星模对恒星敏感器测试时，包括开路测试与闭路测试。其中，开路测试为：地面测试系统通过动力学指令设置动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵；将安装校准矩阵送至动态星模的电子星图计算机；动态星模的电子星图计算机矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，对偏差矫正后的动力学星敏四元数与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测的差值的绝对值进行判断，若差值的绝对值小于等于设定的阈值(阈值优选0.001)，则判定星敏的开路测试正常，否则判定星敏的开路测试不正常；

闭路测试为：地面测试系统通过动力学指令设置卫星的动力学轨道与时间，将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，然后通过卫星的数管指令配合遥控指令向卫星的控制计算机注入星上轨道与时间，注入后，星上转为采用星敏控姿的模式，查看恒星敏感器的动态响应，根据动态响应进行判断，若卫星的姿态收敛且满足控制精度要求，则判定闭路测试工作正常，否则，判定闭路测试工作不正常。

恒星敏感器测试的闭路测试中，将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，具体方法为：

(1)记录当前T0时刻的动力学轨道数据[x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0]^T。

(2)由于测试过程中的递推时间较短，一般为1分钟左右，可以不考虑轨道摄动等因素，对轨道进行线性递推。令卫星运行半径为r，引力加速度为[ax,ay,az]^T,计算方法如公式(1)、公式(2)所示。

公式(2)中M为地球质量，G为引力常量，具体数值为公知内容。

(3)按照公式(3)进行计算，得到经过了t1时长后的星上轨道。

所述恒星敏感器测试的闭路测试中，使动力学时间轨道与星上时间轨道一致的具体方法为：

(1)将动力学设置为暂停状态，模拟仿真T0时刻的轨道六根数(a0,e0,i0,Ω0,w0,M0)，然后将动力学时间T、轨道(a0,e0,i0,Ω0,w0,M0)与姿态等信息注入动力学；此时动力学处于暂停状态，计时器不工作，轨道姿态闭路运算暂停。

(2)将星上设置为不使用星敏的模式，发送注入星上时间T的遥控指令，在指令发送完毕后马上启动动力学，使动力学时间与星上时间同步从T开始计时；同时记录此T0时刻的动力学轨道数据[x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0]^T。

(3)模拟仿真t时长之后即T1＝T0+t时刻的轨道参数[x,y,z,vx,vy,vz]^T，通过卫星数管分系统的上行指令注入功能，利用1553B总线注入轨道信息与生效时间T1，指令注入时间缩短为使用控制分系统比例式指令的1/10，保证在T1时刻前将轨道信息注入完毕，则在T1时刻星上使用新注入轨道，星上轨道与动力学轨道高度一致。

地面测试系统，包括：

动力学仿真计算机：内置动力学软件，功能是模拟卫星的空间运动，读入控制系统执行机构的推力器控制脉冲和动量轮转速，计算出作用在卫星上的力矩和力，进行动力学运算，得到卫星的姿态角和角速度，经坐标变换后转换成与敏感器相对应的角速度、角度，对各敏感器产生指定格式的角度、角速度激励数据，通过接口分别送给各信号源。

星敏信号源CAN卡(以下也简称CAN卡)：动力学仿真计算机根据卫星姿态计算出姿态轨道信息，下传到CAN卡上，通过CAN卡处理然后通过CAN接口发送到动态星模电子星图计算机。

数据采集模块：在地面测试系统中，动量轮的转速和推进脉冲宽度由FPGA板卡测得，通过CPCI总线发送给动力学计算机，以完成控制分系统闭路运算。

遥控遥测模块：对遥控指令进行编码调制，发送至星上遥控单机；接收星上遥测单机发出的遥测参数，进行解调解码，广播给各测试计算机。

测试计算机：内置测试软件，可以发送遥控指令至遥控遥测模块，发送动力学指令至动力学仿真计算机，显示收到的星上遥测参数和动力学软件运行参数。

动态星模，除了光学探头、电子星图计算机，还包括供电电源、星图显示器和信号放大器。其中，星图显示器为普通液晶显示器，仅用于计算机操作和测试人员肉眼查看星图，信号放大器用于星图信号的传输与放大，抵消经长电缆传输后的信号衰减，供电电源为普通电源，设定固定电压后为信号放大器和星模光学探头供电。

动态星模光学探头接收星图信号，经显示驱动后，在液晶屏上形成二维星空图像，以平行光的形式出射到恒星敏感器的入瞳处，模拟实际星空中由无限远处射来的星光。

电子星模计算机接收动力学姿态四元数，在星表数据库中快速遍历各个恒星，得到与星敏光轴夹角在星敏视场内的恒星导航星，并将从星表中筛选出的恒星导航星位置信息进行转换，由天体坐标系转换为平面坐标系，结合星等最终转换为一幅多个点光源的二维星空，实时发送给星敏探头和星空显示器。

使用动力学指令设置地面测试系统输出。动力学指令是针对动力学软件编制的一系列的指令，实现对动力学软件中轨道、姿态、信号源输出等各个参数的设置，按照测试计算机与动力学软件间的通信协议，将软件中的相应变量设置为目标数值。

以四元数Q0设置为例，对应动力学指令为XXX048(Q0_k,Q0_b,Q0_FauFlag)，则设置结果按公式(4)计算：

Q0_1＝(Q0_k*Q0_0+Q0_b)*Q0_FauFlag 公式(4)

公式(1)中的Q0_0为动力学软件实时计算的星敏四元数Q0。

恒星敏感器线路盒包含多项指标，包括数据更新率、复位方式、计数器、同步方式、见太阳标志、功耗、机械安装精度、与电源接口、与星上控制计算机接口、与遥测接口、星图识别和遥控指令检查等，其中大部分指标在整星级测试中不可测，通过单机测试来完成，在整星级测试中需满足的指标为：与电源接口正常，表现为恒星敏感器正常开机，电压遥测参数正常；与星上控制计算机接口正常，表现为开路测试正常；星图识别正常，表现为开路测试与闭路测试正常；与遥控遥测接口正常，表现为开路测试与闭路测试正常。

恒星敏感器光学探头包含多项指标，包括视场范围、光轴指向精度、数据更新率、见太阳标志、功耗、机械安装精度、星图识别等，其中大部分指标在整星级测试中不可测，通过单机测试来完成，在整星级测试中需满足的指标为：星图识别正常，表现为开路测试与闭路测试正常。

地面动力学软件根据卫星姿态和当前时间，计算星敏四元数，具体方法如下：

由于安装后的恒星敏感器本体系三轴指向与卫星本体系三轴指向完全一致，故星敏的姿态四元数[q0,q1,q2,q3]^T与卫星姿态四元数一致，可以由卫星姿态欧拉角ψ，θ，得到，计算方法如公式(5)所示。

动态星模计算机将星敏四元数实时转化为星空图像，具体方法如下：

(1)电子星模计算机完成星表数据库的管理，用于恒星选择。星表数据库中保存有天体的各种参数，如位置、运动、星等、光谱型等，可以使用现有的航天领域常用星表，如史密松森星表，收录光度9.0等且自行运动已精确测量过的恒星；

(2)接收动力学姿态四元数，结合当前的时间信息与轨道信息，得出星敏感器指向光轴，在星表数据库中快速遍历各个恒星，得到与星敏光轴夹角在星敏视场内的恒星，作为星敏识别导航星，记录其具体位置和星等等信息；

(3)将从星表中筛选出的恒星导航星位置信息进行转换，由天体坐标系转换为平面坐标系，最终转换为以液晶光阀中心为原点的二维图像中的一个点，可以由行、列控制器产生的点光源表示；

(4)根据星表记录的星等信息，控制每个星点的灰度值，对二维图像中各个导航星的亮度进行修正；

(5)根据软件计算得到的所有导航星不同星等的二维图像，由行列控制器产生一幅多个不同亮度点光源的二维星空图像，实时发送给星敏探头和星空显示器；并根据动力学输入实时刷新输出。

地面测试系统通过动力学指令，设置动力学轨道时间，具体方法如下：

动力学软件中编制了软件初始化的指令，其中包含了动力学轨道姿态设置等指令。当发送动力学暂停指令时，动力学时间停止前进并暂停闭路运算，各敏感信号源输出维持在当前输出，只有当动力学接收到启动指令时，才重新开始闭路运算。

闭路测试时首先将动力学暂停后进行初始化设置，其中时间与轨道注入指令如下：

XXX011；

XXX002(a,e,i,Ω,w,M)；

XXX001(YY,MM,DD,hh,mm,ss)；

XXX010；

其中，a,e,i,Ω,w,M表示轨道六根数，YY,MM,DD,hh,mm,ss表示时间。

动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵，具体方法如下：

整星测试中对星敏设置四元数(q0,q1,q2,q3)后，恒星敏感器接收光信号，得到星敏四元数遥测(q0’,q1’,q2’,q3’)，按照公式(6)，通过(q0,q1,q2,q3)和(q0’,q1’,q2’,q3’)得到星模光学探头的安装校准矩阵(q0”,q1”,q2”,q3”)。

动态星模的电子星图计算机矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，具体方法如下：

对于任意动力学星敏四元数P＝[p0,p1,p2,p3]，安装矫正矩阵Q＝[q0,q1,q2,q3]，经矫正后的动力学星敏四元数为M＝[m0,m1,m2,m3]，按公式(7)进行计算，电子星图计算机使用矫正后的动力学星敏四元数生成新的星空图像。

星敏控姿的模式，是指卫星控制分系统采用星敏作为姿态控制的基准。卫星控制分系统包含有多种敏感器，如太阳敏感器、地球敏感器、陀螺和星敏等，控制分系统星上计算机也对应设计了多种控制模式，采用不同的敏感器作为姿态输入进行控制。星敏控姿的模式，是控制分系统星上计算机采用星敏传入的姿态数据作为输入计算，输出相应的控制力矩数据给控制分系统执行机构，进而完成卫星姿态控制的模式。

在整星级测试中查看恒星敏感器的动态响应，包括星敏数据有效性、有效恒星个数和星敏控姿时的卫星姿态。当星敏运行正常时，星敏数据有效，有效恒星个数>＝4，星敏控姿时的卫星姿态稳定收敛，各轴姿态与动力学模拟卫星各轴姿态差值绝对值<＝0.05。

一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试方法，步骤如下：

(1)整星级测试时，将动态星模的光学探头安装在恒星敏感器光学探头遮光罩上，动态星模的电子星图计算机接入地面测试系统，

(2)地面测试系统中预存的动力学软件根据卫星姿态，计算动力学星敏四元数，将动力学星敏四元数传输给动态星模的电子星图计算机；

(3)动态星模计算机将动力学星敏四元数实时转化为星空图像；动态星模光学探头将星空图像放映于恒星敏感器遮光罩内，模拟真实星空；

(4)使用动态星模对恒星敏感器进行开路测试时，地面测试系统通过动力学指令设置动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵；

(5)将安装校准矩阵安装校准矩阵送至动态星模的电子星图计算机；动态星模的电子星图计算机矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，

(6)对偏差矫正后的动力学星敏四元数与星上恒星敏感器反馈的四元数的差值的绝对值进行判断，若差值的绝对值小于等于0.001则判定星敏的开路测试正常，否则判定星敏的开路测试不正常；

(7)使用动态星模对恒星敏感器进行闭路测试，地面测试系统通过动力学指令设置卫星的动力学轨道与时间；

(8)将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，然后通过卫星的数管指令配合遥控指令向卫星的控制计算机注入星上轨道与时间；

(9)步骤(8)注入后，星上转为采用星敏控姿的模式，查看恒星敏感器的动态响应；

(10)根据动态响应进行判断，若卫星的姿态收敛且满足控制精度要求，则判定闭路测试工作正常，否则，判定闭路测试工作不正常。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在整星测试中完整地验证了从恒星敏感器光学探头到星敏线路盒再到控制计算机的通路是否正确，可以实现对恒星敏感器的输入与输出准确性的定量考核，并且验证恒星敏感器对于控制分系统各种工况下的动态响应是否符合系统要求。

(2)本发明在恒星敏感器的闭路测试中，通过动力学指令与数管分系统指令结合，星上时间与轨道与动力学时间与轨道高度一致，测试结果更为准确。

(3)本发明地面测试系统中设计了动力学指令，可以与遥控指令一同编制为测试序列在测试计算机中发送。实际测试中，全部操作通过序列自动实现，不受其他操作因素影响，降低了人工操作的危险，并排除了因人工操作造成的时间变化。

(4)本发明动态星模内部电缆考虑了整星热试验的因素，可以直接连在法兰盘上，整个动态星模经热控处理后可以直接用于热真空试验，不改变工场电测时的电信号状态。

(5)本发明利用安装矫正矩阵，在动态星模电子星图计算机的软件中修正动态星模光学探头安装所带来的偏差，降低了硬件设计与实施带来的成本。

附图说明

图1为本发明中星上设备、动态星模与地面测试系统的连接与信号流向图；

图2为本发明中动态星模的组成部分与简略连接图；

图3为本发明中动态星模光学探头组成部分示意图；

图4为本发明中动态星模电子星空计算机的功能组成模块示意图；

图5为本发明中恒星敏感器闭路测试初始化流程；

图6为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种基于光信号的整星级恒星敏感器(以下也简称星敏)测试系统及方法，该方法是在整星级测试时，通过在恒星敏感器光学探头部分安装动态星模，实现基于光信号的数据传输，从而与地面测试系统配合，完成恒星敏感器的开路测试与闭路测试。该方法可以完整的考核到从恒星敏感器光学探头到控制计算机的通路，不跳过任何一个部件，并通过数管上行指令注入命令与动力学指令的配合，实现高精度的以恒星敏感器为输入的整星级控制分系统闭路测试。

恒星敏感器作为卫星控制分系统的重要组成部分，在整星级测试时，恒星敏感器的测试需要在控制分系统开机运行的状态下进行，并结合控制分系统的运行情况对恒星敏感器的状态进行判定。

如图1所示，使用动态星模完成整星测试中恒星敏感器的开路测试和闭路测试。动态星模以地面测试系统中星敏信号源输出的动力学星敏四元数为输入，将星图光信号输出给卫星恒星敏感器光学探头，完成整星级的恒星敏感器测试。

地面测试系统包括动力学仿真计算机、星敏信号源CAN卡、数据采集模块、遥测遥控模块和测试计算机。其中，数据采集模块采集星上控制计算机输出的执行机构信号，动力学仿真计算机接收数据采集模块传输的执行机构信号，计算出作用在卫星上的力矩和力，进行动力学运算，得到与星敏对应的角速度、角度，产生指定格式的角速度、角度激励数据给CAN卡，经过CAN卡处理成CAN传输格式的动力学星敏四元数发送到动态星模电子星图计算机。测试计算机发送遥控指令至遥控遥测模块，发送动力学指令至动力学仿真计算机，接收来自遥控遥测模块广播的星上遥测参数，接收动力学软件传输的动力学参数，完成测试。

如图6所示，动态星模包括电子星空计算机、供电电源、星图显示器、信号放大器和星模光学探头。其中，电子星空计算机通过电缆连接地面测试系统中的星敏信号源CAN卡，接收地面测试系统中输出的动力学四元数；星模光学探头直接扣在星敏探头遮光罩上，使用挡盘螺钉固定；其他部件为动态星模内部连接，具体连接如图2所示。星图显示器为普通液晶显示器，仅用于计算机操作和测试人员肉眼查看星图，信号放大器用于星图信号的传输与放大，抵消经长电缆传输后的信号衰减，供电电源为普通电源，设定固定电压后为信号放大器和星模光学探头供电。动态星模内部电缆在设计之初，考虑整星级测试中热试验测试的需求，可以直接插在真空罐法兰盘上，并满足高低温要求。图2中法兰盘使用虚线表示，意为热真空试验时在此位置可以接入法兰盘，而在工场电测时使用穿舱插头代替法兰盘即可。下面介绍动态星模的两个核心组成部分：星模光学头部和电子星空计算机。

如图3所示，动态星模光学探头接收星图信号，经显示驱动后，在液晶屏上形成二维星空图像，以平行光的形式出射到恒星敏感器的入瞳处，模拟实际星空中由无限远处射来的星光，它包括以下几个部分：

星图显示接口电路：接收由电子星空计算机传输来的二维星空图像，并交由显示驱动电路在液晶光阀上实时刷新星图；

星图显示驱动电路：用于液晶显示屏的正常驱动显示；

光源驱动电路：由外接电源供电，控制背光板的光线输出；

背光板：在光源驱动电路的控制下，为液晶光阀提供亮度稳定、均匀的光源输出。

液晶光阀：实现二维模拟星图的显示；

滤光片：去除杂光，使动态星模的输出光谱范围满足恒星敏感器要求；

准直物镜：图2中的准直物镜为简略表示，实际的准直光学系统由多块形状不同的准直物镜组成，为保证星图中恒星位置准确，能量均衡等，要求镜头成像满足小畸变、小场曲和小色差等光学要求。

电子星模计算机作为动态星模最核心的组成部分，它的组成模块及大致流程如图4所示，必须完成以下几个方面的功能：

(1)完成星表数据库的管理，用于恒星选择。星表数据库中保存有天体的各种参数，如位置、运动、星等、光谱型等，可以使用现有的航天领域常用星表，如史密松森星表，收录光度9.0等且自行运动已精确测量过的恒星；

(2)接收动力学姿态四元数，结合当前的时间信息与轨道信息，得出星敏感器指向光轴，在星表数据库中快速遍历各个恒星，得到与星敏光轴夹角在星敏视场内的恒星，作为星敏识别导航星，记录其具体位置和星等等信息；

(3)将从星表中筛选出的恒星导航星位置信息进行转换，由天体坐标系转换为平面坐标系，最终转换为以液晶光阀中心为原点的二维图像中的一个点，可以由行、列控制器产生的点光源表示；

(4)根据星表记录的星等信息，控制每个星点的灰度值，对二维图像中各个导航星的亮度进行修正；

(5)根据软件计算得到的所有导航星不同星等的二维图像，由行列控制器产生一幅多个点光源的二维星空，实时发送给星敏探头和星空显示器；并根据动力学输入实时刷新输出。

使用动态星模完成整星测试中的恒星敏感器测试时，动力学软件生成星敏四元数，经CAN总线传输至动态星模的电子星空计算机，电子星空计算机中的控制软件将四元数转换为固定或变换的星空图像，通过两个DVI接口输出；一个DVI接口输出至星图显示器，测试人员可以直观的看到星图原貌，另一个DVI接口经信号放大器放大后，输出至星模光学探头，光学探头中的液晶屏生成二维图像，出射平行光到星敏探头入瞳处，模拟来自于无限远处的星光。

地面测试系统中遥控遥测模块连接卫星遥控遥测分系统，用于星上指令的发送与星上遥测的接收；数据采集模块连接卫星控制分系统执行机构信号接口，采集控制分系统发出的执行力矩信号发送给动力学仿真计算机，完成卫星姿态动力学运算，转换为星敏对应的姿态信息发送给星敏信号源CAN卡，最终完成针对星敏的闭环测试。

下面分别详细介绍开路测试与闭路测试流程。

1、开路测试

对于恒星敏感器开路测试，在动力学软件中设置固定星敏四元数，恒星敏感器接收到固定星图，转换成为姿态四元数传输给控制计算机，并显示在遥测中。具体步骤如下：

(1)录入整星测试星敏四元数设置指令。地面测试系统中的动力学软件包含有恒星敏感器四元数设置功能，整星测试中为方便掌握遥控指令发送与动力学设置的时序，编写总控与控制分系统地面设备通信协议，生成整星专用动力学指令录入总控数据库，截取其中星敏四元数设置指令如表1所示。

表1有关恒星敏感器的整星动力学指令格式

(2)开路测试时将星敏四元数设置为(q0,q1,q2,q3)，则指令发送类似如下格式：

XXX048(0,q0,1)；

XXX049(0,q1,1)；

XXX050(0,q2,1)；

XXX051(0,q3,1)；

XXX054(1)

(3)由于星模光学探头与恒星敏感器头部遮光罩均为圆筒状，安装时将星模探头扣在星敏遮光罩上，使用挡盘螺钉固定，对两者的相对位置没有要求，需要在开路测试时首先对星模进行校准。

整星测试中对星敏设置四元数(q0,q1,q2,q3)后，恒星敏感器接收光信号，得到星敏四元数遥测(q0’,q1’,q2’,q3’)，按照公式(1)，通过(q0,q1,q2,q3)和(q0’,q1’,q2’,q3’)得到星模光学探头的安装校准矩阵Q”(q0”,q1”,q2”,q3”)。

将这组校准矩阵输入电子星空计算机星模控制软件中，电子星图计算机按公式(2)计算的矫正后的动力学星敏四元数生成新的星空图像M＝[m0,m1,m2,m3]。

校准矩阵注入后，星敏四元数遥测应变为(m0,m1,m2,m3),且与输入四元数(q0,q1,q2,q3)的差值绝对值小于0.001。

(4)在动力学中设置另外两组星敏四元数(q01,q11,q21,q31)与(q02,q12,q22,q32)，得到的四元数遥测与输入差值应均小于0.001，验证恒星敏感器开路测试结果正常，表明动态星模、地面测试系统与星上的连接状态正常，与星上控制计算接接口正常，对于几个静态工况，动态星模运行正常，恒星敏感器响应正常，可以进行下一步闭路测试，查看恒星敏感器的动态响应。

2、闭路测试

对于恒星敏感器闭路测试，在动力学软件中设置时间与轨道，闭路开始运行后，动力学软件通过CAN总线向电子星空计算机不断传输实时的动态数据，恒星敏感器接收到动态星空的光信号，向控制计算机实时传输动态的姿态信息，以供控制分系统姿态控制。

在基于恒星敏感器的闭路测试中，星上时间和轨道与动力学的时间和轨道一致性越高，姿态控制越精确。闭路测试中通过动力学指令与数管指令结合发送，可以使测试效率与星上控制精度大大提高。

验证以恒星敏感器为输入基准的控制分系统姿态控制功能，首先需要在不以恒星敏感器为输入的控制模式下注入卫星时间与轨道，并使星上时间轨道与动力学时间轨道一致。具体步骤如下：

(1)在编写的地面通信协议中，整星设置闭路测试初始化的动力学指令中，包含了动力学轨道姿态设置等指令，指令格式如表2所示。

表2动力学软件初始化指令格式

当发送动力学暂停指令时，动力学时间停止前进并暂停闭路运算，各敏感信号源输出维持在当前输出，只有当动力学接收到启动指令时，才重新开始闭路运算。

(2)在整星级的系统测试时，控制分系统的遥控指令除了通过直接遥控通道逐条发送外，还可以通过数管分系统的上注指令分批发送。数管分系统为控制分系统设计了两条批量数据传输指令，如表3所示。

表3数管分系统AOCC注入指令

在整星级的闭路测试中，使用uoload_code即数管AOCC上行指令注入来注入星上轨道。原星上轨道注入遥控指令有52条，每条发送成功需至少4秒，全部发送完成需至少208秒；使用uoload_code指令分3次发送这些遥控指令，仅需15秒，可以大大提升测试效率。

(3)恒星敏感器测试的闭路测试中，将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，具体方法为：

a.记录当前T0时刻的动力学轨道数据[x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0]^T。

b.由于测试过程中的递推时间较短，一般为1分钟左右，可以不考虑轨道摄动等因素，对轨道进行线性递推。令卫星运行半径为r，引力加速度为[ax,ay,az]^T,计算方法如公式(3)、公式(4)所示。

公式(4)中M为地球质量，G为引力常量，具体数值为公知内容。

c.按照公式(5)进行计算，得到经过了t1时长后的星上轨道。

(4)如图5所示，闭路测试时首先将动力学暂停后进行初始化设置，星上时间注入完毕后再发送动力学启动指令，具体顺序如下所示。

XXX011；

XXX002(a,e,i,Ω,w,M)；

XXX001(YY,MM,DD,hh,mm,ss)；

遥控指令转非星敏控制模式；

遥控指令注入星时(与动力学时间一致)；

XXX010；同时获取当前动力学轨道(x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0)；

对动力学轨道进行递推得到t时刻后的轨道T1；

upload_code(遥控指令注入轨道T1)；

wait(轨道生效)；

遥控指令转星敏控制模式；

XXX004(星敏控制模式字)

发送完毕后，控制分系统采用T1时刻生效的新轨道进行姿态控制。其中，a,e,i,Ω,w,M表示轨道六根数，θ,ψ,ωx,ωy,ωz表示姿态三轴与角速度，YY,MM,DD,hh,mm,ss表示T0时刻的时间，轨道注入遥控指令中包含轨道生效时间T1及T1时刻的轨道参数(x,y,z,vx,vy,vz)，字母具体含义为公知内容，这里不再进行说明。

以上全部指令通过测试脚本自动发送，而且在星时注入完成后马上启动动力学，最大程度的减少了人工操作对时间一致性的影响。在星地时间与轨道高度一致的情况下，恒星敏感器面对不断变化的实时星空图像，可以一直保持星敏数据有效，有效恒星数量>＝4颗，姿态曲线符合该星敏控姿模式的特点进行收敛，且各轴姿态与动力学模拟卫星各轴姿态差值绝对值<＝0.05，说明每一时刻该恒星敏感器输入的姿态信息都正确，星敏星图识别功能正常，控制分系统控制的卫星姿态正确，闭路测试结果正常。

Claims (15)

1.一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：包括地面测试系统、动态星模；动态星模，包括：光学探头、电子星图计算机；

测试对象为恒星敏感器；整星级测试时，将动态星模的光学探头安装在恒星敏感器光学探头遮光罩上，动态星模的电子星图计算机接入地面测试系统，地面测试系统根据卫星姿态，计算出动力学星敏四元数传输给电子星图计算机；动态星模计算机将动力学星敏四元数实时转化为星空图像；动态星模光学探头将星空图像放映于恒星敏感器遮光罩内，模拟真实星空；

使用动态星模对恒星敏感器测试时，包括开路测试与闭路测试；开路测试为：地面测试系统通过动力学指令设置动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵；动态星模的电子星图计算机根据安装校准矩阵矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，对偏差矫正后的动力学星敏四元数与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测的差值的绝对值进行判断，若差值的绝对值小于等于设定的阈值，则判定恒星敏感器的开路测试正常，否则判定恒星敏感器的开路测试不正常；

闭路测试为：地面测试系统通过动力学指令设置卫星的动力学轨道与时间，将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，然后通过卫星的数管指令配合遥控指令向卫星的控制计算机注入星上轨道与时间，注入后，星上转为采用星敏控姿的模式，根据恒星敏感器的动态响应进行判断，若卫星的姿态收敛且满足控制精度要求，判定闭路测试工作正常，否则判定为不正常。

2.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：恒星敏感器测试的闭路测试中，将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，具体方法为：

(1)记录当前T0时刻的卫星轨道系下的动力学轨道数据[x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0]^T；

(2)不考虑轨道摄动因素，对轨道进行线性递推，设卫星运行半径为r，引力加速度为[ax,ay,az]^T，计算方法如公式(1)、公式(2)所示；

公式(2)中M为地球质量，G为引力常量；

(3)按照公式(3)进行计算，得到经过了t1时长后的星上轨道；

恒星敏感器测试的闭路测试中，使动力学时间轨道与星上时间轨道一致的具体方法为：

(1)将动力学设置为暂停状态，模拟仿真T0时刻的轨道六根数(a0,e0,i0,Ω0,w0,M0)，然后将动力学时间T、轨道(a0,e0,i0,Ω0,w0,M0)与姿态等信息注入动力学；此时动力学处于暂停状态，计时器不工作，轨道姿态闭路运算暂停；

(2)将星上设置为不使用星敏的模式，发送注入星上时间T的遥控指令，在指令发送完毕后马上启动动力学，使动力学时间与星上时间同步从T开始计时；同时记录此T0时刻的动力学轨道数据[x0,y0,z0,vx0,vy0,vz0]^T；

(3)模拟仿真t时长之后即T1＝T0+t时刻的轨道参数[x,y,z,vx,vy,vz]^T，通过卫星数管分系统的上行指令注入功能，利用1553B总线注入轨道信息与生效时间T1，指令注入时间缩短为使用控制分系统比例式指令的1/10，保证在T1时刻前将轨道信息注入完毕，则在T1时刻星上使用新注入轨道，星上轨道与动力学轨道高度一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：地面测试系统，包括：动力学仿真计算机、星敏信号源CAN卡、数据采集模块、遥控遥测模块和测试计算机；

动力学仿真计算机，内置动力学软件，能够模拟卫星的空间运动，读入控制系统执行机构的推力器控制脉冲和动量轮转速，计算出作用在卫星上的力矩和力，进行动力学运算，得到卫星的姿态角和角速度，经坐标变换后转换成与敏感器相对应的角速度、角度，对各敏感器产生指定格式的角度、角速度激励数据，通过接口分别送给各信号源；

动力学仿真计算机根据卫星姿态计算出姿态轨道信息，下传到星敏信号源CAN卡上，通过星敏信号源CAN卡处理然后通过CAN接口发送到动态星模电子星图计算机；

在地面测试系统中，动量轮的转速和推进脉冲宽度由FPGA板卡测得，数据采集模块采集后，通过CPCI总线发送给动力学计算机，以完成控制分系统闭路运算；

遥控遥测模块，能够对遥控指令进行编码调制，发送至星上遥控单机；还能够接收星上遥测单机发出的遥测参数，进行解调解码，广播给各测试计算机；

测试计算机，内置测试软件，能够发送遥控指令至遥控遥测模块，发送动力学指令至动力学仿真计算机，显示收到的星上遥测参数和动力学软件运行参数。

4.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：动态星模，除了光学探头、电子星图计算机，还包括供电电源、星图显示器和信号放大器；其中，星图显示器为普通液晶显示器，仅用于计算机操作和测试人员肉眼查看星图，信号放大器用于星图信号的传输与放大，抵消经长电缆传输后的信号衰减，供电电源为普通电源，设定固定电压后为信号放大器和星模光学探头供电；

动态星模光学探头接收星图信号，经显示驱动后，在液晶屏上形成二维星空图像，以平行光的形式出射到恒星敏感器的入瞳处，模拟实际星空中由无限远处射来的星光；

电子星模计算机接收动力学姿态四元数，在星表数据库中快速遍历各个恒星，得到与星敏光轴夹角在星敏视场内的恒星导航星，并将从星表中筛选出的恒星导航星位置信息进行转换，由天体坐标系转换为平面坐标系，结合星等最终转换为一幅多个点光源的二维星空，实时发送给星敏探头和星空显示器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：使用动力学指令设置地面测试系统输出；动力学指令是针对动力学软件编制的一系列的指令，实现对动力学软件中轨道、姿态、信号源输出参数的设置，按照测试计算机与动力学软件间的通信协议，将软件中的相应变量设置为目标数值。

6.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：恒星敏感器包括线路盒，恒星敏感器的线路盒包含多项指标，包括数据更新率、复位方式、计数器、同步方式、见太阳标志、功耗、机械安装精度、与电源接口、与星上控制计算机接口、与遥测接口、星图识别和遥控指令检查，其中一部分指标在整星级测试中不可测，通过单机测试来完成，在整星级测试中需满足的指标为：与电源接口正常，表现为恒星敏感器正常开机，电压遥测参数正常；与星上控制计算机接口正常，表现为开路测试正常；星图识别正常，表现为开路测试与闭路测试正常；与遥控遥测接口正常，表现为开路测试与闭路测试正常。

7.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：恒星敏感器包括光学探头，恒星敏感器光学探头包含多项指标，包括视场范围、光轴指向精度、数据更新率、见太阳标志、功耗、机械安装精度、星图识别，其中一部分指标在整星级测试中不可测，通过单机测试来完成，在整星级测试中需满足的指标为：星图识别正常，表现为开路测试与闭路测试正常。

8.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：地面动力学软件根据卫星姿态和当前时间，计算星敏四元数，具体方法如下：

由于安装后的恒星敏感器本体系三轴指向与卫星本体系三轴指向完全一致，故星敏的姿态四元数[q0,q1,q2,q3]^T与卫星姿态四元数一致，由卫星姿态欧拉角ψ，θ，得到，计算方法如公式(5)所示；

9.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：动态星模计算机将星敏四元数实时转化为星空图像，具体方法如下：

(1)电子星模计算机完成星表数据库的管理，用于恒星选择；星表数据库中保存有天体的各种参数，包括：位置、运动、星等、光谱型，使用常用星表，包括史密松森星表，收录光度9.0等且自行运动已精确测量过的恒星；

(2)接收动力学姿态四元数，结合当前的时间信息与轨道信息，得出星敏感器指向光轴，在星表数据库中快速遍历各个恒星，得到与星敏光轴夹角在星敏视场内的恒星，作为星敏识别导航星，记录其具体位置和星等信息；

(3)将从星表中筛选出的恒星导航星位置信息进行转换，由天体坐标系转换为平面坐标系，最终转换为以液晶光阀中心为原点的二维图像中的一个点，能够由行、列控制器产生的点光源表示；

(4)根据星表记录的星等信息，控制每个星点的灰度值，对二维图像中各个导航星的亮度进行修正；

(5)根据软件计算得到的所有导航星不同星等的二维图像，由行列控制器产生一幅多个不同亮度点光源的二维星空图像，实时发送给星敏探头和星空显示器；并根据动力学输入实时刷新输出。

10.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：地面测试系统通过动力学指令，设置动力学轨道时间，具体方法如下：

动力学软件中编制了软件初始化的指令，其中包含了动力学轨道姿态设置指令，当发送动力学暂停指令时，动力学时间停止前进并暂停闭路运算，各敏感信号源输出维持在当前输出，只有当动力学接收到启动指令时，重新开始闭路运算；

闭路测试时首先将动力学暂停后进行初始化设置，其中时间与轨道注入指令如下：

XXX011；

XXX002(a,e,i,Ω,w,M)；

XXX001(YY,MM,DD,hh,mm,ss)；

XXX010；

其中，a,e,i,Ω,w,M表示轨道六根数，YY,MM,DD,hh,mm,ss表示时间。

11.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵，具体方法如下：

整星测试中对星敏设置四元数(q0,q1,q2,q3)后，恒星敏感器接收光信号，得到星敏四元数遥测(q0’,q1’,q2’,q3’)，按照公式(6)，通过(q0,q1,q2,q3)和(q0’,q1’,q2’,q3’)得到星模光学探头的安装校准矩阵(q0”,q1”,q2”,q3”)；

12.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：动态星模的电子星图计算机矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，具体方法如下：

对于任意动力学星敏四元数P＝[p0,p1,p2,p3]，安装矫正矩阵Q＝[q0,q1,q2,q3]，经矫正后的动力学星敏四元数为M＝[m0,m1,m2,m3]，按公式(7)进行计算，电子星图计算机使用矫正后的动力学星敏四元数生成新的星空图像；

13.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：星敏控姿的模式，是指卫星控制分系统采用星敏作为姿态控制的基准；卫星控制分系统包含有多种敏感器，包括太阳敏感器、地球敏感器、陀螺和星敏；控制分系统星上计算机也对应设置了多种控制模式，采用不同的敏感器作为姿态输入进行控制；星敏控姿的模式，是控制分系统星上计算机采用星敏传入的姿态数据作为输入计算，输出相应的控制力矩数据给控制分系统执行机构，进而完成卫星姿态控制的模式。

14.根据权利要求1所述的一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试系统，其特征在于：在整星级测试中查看恒星敏感器的动态响应，包括星敏数据有效性、有效恒星个数和星敏控姿时的卫星姿态；当星敏运行正常时，星敏数据有效，有效恒星个数>＝4，星敏控姿时的卫星姿态稳定收敛，各轴姿态与动力学模拟卫星各轴姿态差值绝对值<＝0.05。

15.一种基于光信号的整星级恒星敏感器测试方法，其特征在于步骤如下：

(1)整星级测试时，将动态星模的光学探头安装在恒星敏感器光学探头遮光罩上，动态星模的电子星图计算机接入地面测试系统，

(2)地面测试系统中预存的动力学软件根据卫星姿态，计算动力学星敏四元数，将动力学星敏四元数传输给动态星模的电子星图计算机；

(3)动态星模计算机将动力学星敏四元数实时转化为星空图像；动态星模光学探头将星空图像放映于恒星敏感器遮光罩内，模拟真实星空；

(4)使用动态星模对恒星敏感器进行开路测试时，地面测试系统通过动力学指令设置动力学星敏四元数，与星上恒星敏感器反馈的四元数遥测进行计算，得到安装校准矩阵；

(5)将安装校准矩阵安装校准矩阵送至动态星模的电子星图计算机；动态星模的电子星图计算机矫正动态星模的光学探头安装所带来的偏差，

(6)对偏差矫正后的动力学星敏四元数与星上恒星敏感器反馈的四元数的差值的绝对值进行判断，若差值的绝对值小于等于0.001则判定星敏的开路测试正常，否则判定星敏的开路测试不正常；

(7)使用动态星模对恒星敏感器进行闭路测试，地面测试系统通过动力学指令设置卫星的动力学轨道与时间；

(8)将动力学轨道递推一段时间得到星上轨道，然后通过卫星的数管指令配合遥控指令向卫星的控制计算机注入星上轨道与时间；

(9)步骤(8)注入后，星上转为采用星敏控姿的模式，查看恒星敏感器的动态响应；

(10)根据动态响应进行判断，若卫星的姿态收敛且满足控制精度要求，则判定闭路测试工作正常，否则，判定闭路测试工作不正常。