CN110487260A - 一种航天器姿态确定智能星敏感器及其姿态确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天器姿态确定的智能星敏感器及其姿态确定方法，智能星敏感器包括成像模块、存储器模块、处理器模块和无线传输模块，其中，成像模块实现对可用恒星的获取，并将获取的恒星图像信息存入存储器模块；存储器模块用于信息的存储；处理器模块读取存储器模块的信息，并对其进行处理，并将结果写入存储器模块；无线传输模块进行信息的发送和接收。本发明首次实现了星敏感器的智能化，能够在星敏感器仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下正常输出航天器姿态；能够实现星敏感器的无缆化和航天器无星载计算机化，从而降低航天器的质量和体积，有利于航天器模块化、快速组装、测试和发射以及星载部件在轨升级和替换。
Description
技术领域
本发明属于航天器姿态测量技术领域，尤其涉及一种面向航天器姿态确定的智能星敏感器及其姿态确定方法。
背景技术
随着航天任务变得复杂而多样化，其对航天器不断地提高了新的要求，如要求航天器质量小、体积小、寿命长和模块化，从而降低航天器的研制费用、缩短研制和测试周期、并为星载部件的无缆化以及部件的升级和替换奠定基础。
姿态确定和控制分系统是航天器的八大系统之一，航天器的模块化要求对该分系统进行模块化，这对姿态确定系统提出了更高的要求。姿态传感器是不可缺的重要部分，星敏感器是最常用的姿态确定仪器之一，传统的星敏感器，采用线缆进行数据传输，依赖星载计算机，使航天器的重量、体积和功耗增加，不利于实现航天器的模块化、智能化、快速组装、测试以及星载部件在轨升级和替换；另一方面，由于成像系统视场大小的限制，可能导致短期可用的恒星不足，使得观测信息不足，从而无法获取姿态最优估计。
因此，该分系统要求对星敏感器进行改进，采用无线通信的方式，并且可以作为处理中心，通过分布式计算可以实现无星载计算机，进一步降低航天器的体积和重量，实现星敏感器的无缆化和航天器无星载计算机化，从而降低航天器的质量和体积，有利于航天器模块化、快速组装、测试和发射以及星载部件在轨升级和替换；在仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下，也能进行精确的姿态估计，输出航天器姿态。本发明使星敏感器具有小型化、轻型化、低功耗、高实时性的特点，减少了星敏感器的体积、重量、功耗，为未来微小卫星提供高可靠、低成本、质量小、体积小、模块化的高精度的姿态测量敏感器，为微小卫星的模块化设计和即插即用提供技术支撑，从而实现微小卫星的快速集成和组装。
目前，国内外尚未有关于星敏感器智能化或无缆化的研究。较为相似的有surney大学关于无线太阳敏感器的研究；2016年南京航空航天大学吴云华提出一种面向微小卫星的仿复眼结构太阳敏感器，通过无线通信模块将计算模块计算的太阳矢量结果传输给卫星本体的无线接收设备。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种航天器姿态确定的智能星敏感器及其姿态确定方法，首次实现了星敏感器的智能化，能够在星敏感器仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下正常输出航天器姿态；能够实现星敏感器的无缆化和航天器无星载计算机化，从而降低航天器的质量和体积，有利于航天器模块化、快速组装、测试和发射以及星载部件在轨升级和替换。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种航天器姿态确定的智能星敏感器，包括：
成像模块，实现对可用恒星的获取，并将获取的恒星图像信息存入存储器模块；
无线传输模块，包括数据发送模块和数据接收模块，数据接收模块接收任务调度信息、航天器状态信息和其他智能部件的测量信息，数据发送模块将带时间标签的航天器姿态信息、故障信息和任务调度新信息发送给其他接收器；
处理器模块，具有时间同步功能、任务调度功能、数据加密功能、星光提取功能、星光识别功能、姿态解算功能以及故障处理功能，并根据存储的姿态确定相关的信息对航天器姿态进行最优估计，并将姿态测量信息和当前姿态估计信息存入数据存储模块；
存储器模块，用于信息的存储。
可选的，对航天器姿态进行最优估计具体包括如下步骤：
根据先前时刻的航天器姿态信息，以及存储的航天器质量特性参数信息建立状态方程，根据观测矢量信息建立观测方程，然后利用滤波器进行滤波，得到航天器姿态的最优估计过程；智能星敏感器通过无线传输模块获取其他智能部件的观测信息，能够在星敏感器仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下进行滤波，得到姿态信息。
可选的，结合故障诊断专家系统对智能星敏感器状态进行故障诊断，具体为智能星敏感器获取自身状态信息；启动故障诊断专家系统；故障诊断专家系统调用故障处理库，对智能星敏感器进行故障检测和故障处理。
可选的，存储器模块存储的信息包括固定的预存的存储信息、处理器写入的信息和接收的信息，固定预存的信息包括：智能星敏感器的身份信息，星图信息，用于姿态解算的相关数据信息，以及用于故障诊断专家系统的故障数据库信息；处理器写入的信息包括观测的恒星星光信息、解算得到姿态信息，智能星敏感器的身份信息、智能星敏感器的故障信息；接收的信息包括任务调度信息、航天器状态信息和其他智能部件的测量信息。
可选的，其他用于姿态确定的智能部件包括：智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS，其他智能部件的测量信息包括：带时间标签的来自智能太阳敏感器的太阳矢量信息、智能磁强计的地磁信息、智能陀螺的角速度信息和智能GPS的信息。
可选的，智能星敏感器还包括供电电缆接口和调试端口接口，调试端口主要用于智能星敏感器软件和状态参数注入以及软件调试，智能星敏感器与航天器通过供电电缆接口连接，调试端口在航天器在轨运行时不具任何作用。
本发明还提供了一种上述智能星敏感器的航天器姿态确定方法，包括以下步骤：
(1)系统加电，智能星敏感器开始工作；
(2)在首次接入到航天器姿态确定分系统时，智能星敏感器启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(3)待智能星敏感器接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步；
(4)每一个控制周期智能星敏感器接收姿态确定所需要的信息；
(5)智能星敏感器启动故障诊断专家系统进行故障诊断；
(6)进行姿态最优估计，得到姿态信息；
(7)将得到姿态信息进行加密处理，通过无线传输模块发送至相应接收模块；
(8)智能星敏感器结束本周期工作，进入下一个周期。
进一步的，步骤(4)所述的接收的进行姿态确定所需要的信息包括：任务调度信息、航天器状态信息、航天器的质量参数特性信息、智能星敏感器的故障信息和其他智能部件的测量信息。
进一步的，步骤(5)包括以下步骤：
(5-1)进行故障检测，假如检测到智能星敏感器发生故障，进入步骤(5-2)；假如智能星敏感器未检测到故障，进入步骤(6)；
(5-2)假如能对故障进行处理，进入步骤(5-3)；假如不能对故障进行处理，进入步骤(5-4)；
(5-3)调用故障处理库，进行故障处理，进入步骤(6)；
(5-4)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(5-5)；假如不为主敏感器，进入步骤(5-6)；
(5-5)将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员，智能星敏感器成为从敏感器，具备任务调度功能的其他智能部件为主敏感器，进入步骤(6)；
(5-6)通过无线传输模块向主敏感器发送故障信息，请求进行任务调度调整以及等待地面人工干预进行故障处理，等待下一周期开始。
进一步的，步骤(6)包括以下步骤：
(6-1)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(6-2)；假如不为主敏感器，进入步骤(6-3)；
(6-2)智能星敏感器从存储器接收观测的恒星矢量信息以及接收的其他智能部件的测量信息，进行姿态最优估计；
(6-3)若观测的恒星矢量信息没有或者只有一个，则进入步骤(6-4)；否则，智能星敏感器利用观测的恒星矢量信息进行姿态最优估计；
(6-4)无法进行姿态估计，向主敏感器发送故障信息，等待下一周期开始。
有益效果：与现有技术相比，本发明首次实现了星敏感器的智能化，能够在星敏感器仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下正常输出航天器姿态；能够实现星敏感器的无缆化和航天器无星载计算机化，从而降低航天器的质量和体积，有利于航天器模块化、快速组装、测试和发射以及星载部件在轨升级和替换。
附图说明
图1为本发明的智能星敏感器基本原理图；
图2为本发明的智能星敏感器结构示意图；
图3为本发明的智能星敏感器工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，智能星敏感器的基本原理是：智能星敏感器首先通过成像模块获取相机拍摄的恒星图片，存储到存储器模块，在处理器模块调用恒星星历库完成恒星提取与识别，得到观测的恒星矢量信息，当智能星敏感器作为主敏感器时，智能星敏感器的无线传输模块接收智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺等其他智能敏感器的姿态测量信息，并将观测信息存入存储器模块，处理器完成信息存储进行故障诊断，然后其根据存储的姿态确定的相关信息对航天器姿态进行最优估计，并将当前姿态估计信息存入存储器模块，数据的计算主要由智能星敏感器的处理器完成，无需包括星载计算机在内的其他处理器参与解算；存储器模块通过无线传输模块将信息经过信息加密后发送给其他智能部件。
如图2所示，本发明的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，包括成像模块、存储器模块、处理器模块和无线传输模块，其中，成像模块实现对可用恒星的获取，并将获取的恒星图像信息存入存储器模块；存储器模块用于信息的存储，智能星敏感器能将观测的恒星信息、预存星图信息、航天器状态信息、智能星敏感器的身份信息、故障信息、故障库信息、解算得到姿态信息，存储在存储器模块，存储的信息包括但不仅限于上述信息；姿态解算功能主要有处理器模块完成，处理器模块能对存储器模块进行读操作和写操作，包括实现对恒星图像的提取与处理，并进行星光识别，读取星图信息、其他智能部件的测量信息、航天器位置和角速度等信息，完成姿态解算，获取航天器姿态最优估计，并将结果写入存储器模块；处理器模块具有时间同步、任务调度、星光提取、星光识别、故障诊断功能、姿态解算功能、无线信息接收和发送功能、存储功能以及数据加密功能；无线传输模块进行信息的发送和接收，数据在传输前可以通过处理器加密后发出，除供电线缆外，无需其他线缆进行连接。
一种航天器姿态确定的智能星敏感器，包括电缆接口和调试端口接口。调试端口主要用于智能星敏感器软件以及状态参数注入。智能星敏感器与航天器仅有供电电缆连接，调试端口在航天器在轨运行时不具任何作用。具有时间同步、任务调度、故障诊断功能、姿态解算功能、无线信息接收和发送功能、存储功能以及数据加密功能。
无线信息接收和发送功能为：智能星敏感器能通过无线传输模块接收和发送经过加密的信息，接收的加密信息包括：任务调度信息、航天器状态信息、智能星敏感器的故障信息，其他智能部件的测量信息，航天器的状态信息包括带时间标签的航天器的位置，角速度信息等，其他用于姿态确定的智能部件包括：智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺、智能GPS等，智能部件包括但不仅限于上述部件；其他智能部件的测量信息包括：带时间标签的来自智能太阳敏感器的太阳矢量信息、智能磁强计的地磁信息、智能陀螺的角速度信息和智能GPS的信息等，信息包括但不仅限于上述信息；发送的加密信息包括：带时间标签的航天器姿态信息、任务调度信息，智能敏感器的故障信息以及智能星敏感器身份信息等，但不仅限于上述信息，接收的信息能存储在存储器模块。除供电线缆外，无需其他线缆进行连接。
姿态解算功能为：能根据任务要求，智能星敏感器完成恒星提取与识别，利用多颗恒星的观测信息进行姿态估计，数据的计算主要由智能星敏感器的处理器完成，无需包括星载计算机在内的其他处理器参与解算。当智能星敏感器作为主敏感器时，智能星敏感器的无线传输模块接收太阳敏感器、磁强计、陀螺等其他智能敏感器的姿态测量信息，其根据存储的航天器质量特性等参数及之前的姿态估计信息，对航天器姿态进行最优估计，并将姿态测量信息和当前姿态估计信息存入存储器模块，通过无线传输模块发送至相应的接收块。存储信息包括但不仅限于上述数据。
时间同步、任务调度、数据加密功能为：智能星敏感器通过处理器模块实现任务调度功能、时间同步功能、和数据加密功能，并结合专家系统对星敏感器状态进行故障诊断。智能星敏感器通过无线传输模块把信息发送至其他智能部件，信息在传输之前进行加密处理，接受加密信息后可以实现解密处理，接收器包括但不限于星载计算机。其中，智能星敏感器可作为管理员节点完成星上任务调度和管理，上述功能可以无需星载计算机参与。
存储功能为：智能星敏感器进行存储的信息包括固定的预存的存储信息、处理器写入的信息和接收的信息。固定预存的信息包括：智能星敏感器的身份信息，星图信息，用于姿态解算的相关数据信息，以及用于故障诊断专家系统的故障数据库信息；处理器写入的信息包括观测的星光信息、解算得到姿态信息，智能星敏感器的身份信息、智能星敏感器的故障信息；接收的信息包括任务调度信息、航天器状态信息，其他智能部件的测量信息，航天器的状态信息包括待时间标签的航天器的位置，角速度信息等。上述信息存储在存储模块，存储的信息包括但不仅限于上述信息。
故障诊断功能为：智能星敏感器能够对自身进行故障检测。智能敏感器调用故障数据库，判断是否发生故障及其故障类型，实时监测智能星敏感器的性能特性和健康状态，当检测到智能星敏感器发生故障时，将调用故障处理专家系统，若能对故障进行处理，智能星敏感器不对外发送故障信息，自行排除故障；若不能对该故障进行处理，智能星敏感器将通过无线传输模块把故障信息发送至故障信息的接收器，如果智能星敏感器是主敏感器，则移交管理权限，然后通过无线传输模块把故障信息发送至下一个主敏感器，等待任务调度和地面人工干预处理，故障信息的接收器包括但不限于星载计算机。
如图3所示，一种智能星敏感器的航天器姿态确定方法，包括以下步骤：
(1)系统加电，智能星敏感器开始工作；
(2)在首次接入到航天器姿态确定分系统时，智能星敏感器启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(3)待智能星敏感器接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步；
(4)每一个控制周期智能星敏感器接收姿态确定所需要的信息；其中，所述的接收的进行姿态确定所需要的信息包括：任务调度信息、航天器状态信息、航天器的质量参数特性信息、智能星敏感器的故障信息，其他智能部件的测量信息，但不仅限于上述信息。
(5)智能星敏感器启动故障诊断专家系统进行故障诊断，具体步骤如下：
(5-1)进行故障检测，假如检测到智能星敏感器发生故障，进入步骤(5-2)；假如智能星敏感器未检测到故障，进入步骤(6)；
(5-2)假如能对故障进行处理，进入步骤(5-3)；假如不能对故障进行处理，进入步骤(5-4)；
(5-3)调用故障处理库，进行故障处理，进入步骤(6)；
(5-4)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(5-5)；假如不为主敏感器，进入步骤(5-6)；
(5-5)将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员，智能星敏感器成为从敏感器，具备任务调度功能的其他智能部件为主敏感器，进入步骤(6)；
(5-6)通过无线传输模块向主敏感器发送故障信息，请求进行任务调度调整以及等待地面人工干预进行故障处理，等待下一周期开始；
(6)进行姿态最优估计，得到姿态信息，具体步骤如下：
(6-1)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(6-2)；假如不为主敏感器，进入步骤(6-3)；
(6-2)智能星敏感器从存储器接收观测的恒星矢量信息以及接收的其他智能部件的测量信息，进行姿态最优估计；
(6-3)若观测的恒星矢量信息没有或者只有一个，则进入步骤(6-4)；否则，智能星敏感器利用观测的恒星矢量信息进行姿态最优估计；
(6-4)无法进行姿态估计，向主敏感器发送故障信息，等待下一周期开始；
(7)将得到姿态信息进行加密处理，通过无线传输模块发送至相应接收模块；
(8)智能星敏感器结束本周期工作，进入下一个周期。
Claims (10)
1.一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，包括：
成像模块，实现对可用恒星的获取，并将获取的恒星图像信息存入存储器模块；
无线传输模块，包括数据发送模块和数据接收模块，数据接收模块接收任务调度信息、航天器状态信息和其他智能部件的测量信息，数据发送模块将带时间标签的航天器姿态信息、故障信息和任务调度新信息发送给其他接收器；
处理器模块，具有时间同步功能、任务调度功能、数据加密功能、星光提取功能、星光识别功能、姿态解算功能以及故障处理功能，并根据存储的姿态确定相关的信息对航天器姿态进行最优估计，并将姿态测量信息和当前姿态估计信息存入数据存储模块；
存储器模块，用于信息的存储。
2.根据权利要求1所述的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，对航天器姿态进行最优估计具体包括如下步骤：
根据先前时刻的航天器姿态信息，以及存储的航天器质量特性参数信息建立状态方程，根据观测矢量信息建立观测方程，然后利用滤波器进行滤波，得到航天器姿态的最优估计过程；智能星敏感器通过无线传输模块获取其他智能部件的观测信息，能够在星敏感器仅有单个恒星观测矢量或短期无恒星观测矢量的情况下进行滤波，得到姿态信息。
3.根据权利要求1所述的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，结合故障诊断专家系统对智能星敏感器状态进行故障诊断，具体为智能星敏感器获取自身状态信息；启动故障诊断专家系统；故障诊断专家系统调用故障处理库，对智能星敏感器进行故障检测和故障处理。
4.根据权利要求1所述的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，存储器模块存储的信息包括固定的预存的存储信息、处理器写入的信息和接收的信息，固定预存的信息包括：智能星敏感器的身份信息，星图信息，用于姿态解算的相关数据信息，以及用于故障诊断专家系统的故障数据库信息；处理器写入的信息包括观测的恒星星光信息、解算得到姿态信息，智能星敏感器的身份信息、智能星敏感器的故障信息；接收的信息包括任务调度信息、航天器状态信息和其他智能部件的测量信息。
5.根据权利要求4所述的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，其他用于姿态确定的智能部件包括：智能太阳敏感器、智能磁强计、智能陀螺和智能GPS，其他智能部件的测量信息包括：带时间标签的来自智能太阳敏感器的太阳矢量信息、智能磁强计的地磁信息、智能陀螺的角速度信息和智能GPS的信息。
6.根据权利要求1所述的一种航天器姿态确定的智能星敏感器，其特征在于，智能星敏感器还包括供电电缆接口和调试端口接口，调试端口主要用于智能星敏感器软件和状态参数注入以及软件调试，智能星敏感器与航天器通过供电电缆接口连接，调试端口在航天器在轨运行时不具任何作用。
7.一种权利要求1-6任一项所述智能星敏感器的航天器姿态确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统加电，智能星敏感器开始工作；
(2)在首次接入到航天器姿态确定分系统时，智能星敏感器启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(3)待智能星敏感器接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步；
(4)每一个控制周期智能星敏感器接收姿态确定所需要的信息；
(5)智能星敏感器启动故障诊断专家系统进行故障诊断；
(6)进行姿态最优估计，得到姿态信息；
(7)将得到姿态信息进行加密处理，通过无线传输模块发送至相应接收模块；
(8)智能星敏感器结束本周期工作，进入下一个周期。
8.根据权利要求7所述的一种智能星敏感器的航天器姿态确定方法，其特征在于，步骤(4)所述的接收的进行姿态确定所需要的信息包括：任务调度信息、航天器状态信息、航天器的质量参数特性信息、智能星敏感器的故障信息和其他智能部件的测量信息。
9.根据权利要求7所述的一种智能星敏感器的航天器姿态确定方法，其特征在于，步骤(5)包括以下步骤：
(5-1)进行故障检测，假如检测到智能星敏感器发生故障，进入步骤(5-2)；假如智能星敏感器未检测到故障，进入步骤(6)；
(5-2)假如能对故障进行处理，进入步骤(5-3)；假如不能对故障进行处理，进入步骤(5-4)；
(5-3)调用故障处理库，进行故障处理，进入步骤(6)；
(5-4)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(5-5)；假如不为主敏感器，进入步骤(5-6)；
(5-5)将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员，智能星敏感器成为从敏感器，具备任务调度功能的其他智能部件为主敏感器，进入步骤(6)；
(5-6)通过无线传输模块向主敏感器发送故障信息，请求进行任务调度调整以及等待地面人工干预进行故障处理，等待下一周期开始。
10.根据权利要求7所述的一种智能星敏感器的航天器姿态确定方法，其特征在于，步骤(6)包括以下步骤：
(6-1)若智能星敏感器为主敏感器，进入步骤(6-2)；假如不为主敏感器，进入步骤(6-3)；
(6-2)智能星敏感器从存储器接收观测的恒星矢量信息以及接收的其他智能部件的测量信息，进行姿态最优估计；
(6-3)若观测的恒星矢量信息没有或者只有一个，则进入步骤(6-4)；否则，智能星敏感器利用观测的恒星矢量信息进行姿态最优估计；
(6-4)无法进行姿态估计，向主敏感器发送故障信息，等待下一周期开始。
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