CN112880676A - 一种amu一体式姿态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种AMU一体式姿态测量系统，包含电源模块，光电转换模块、上位机通讯模块、10轴惯性导航模块、A/D采集模块和CPU模块，其中上位机通讯模块、10轴惯性导航模块、A/D采集模块与CPU模块电性连接，所述测量系统包含2个光电转换模块，每个都有4路转换通道，可同时转换8路入射太阳光信号并转换为电信号，所述上位机通讯模块与CPU模块电性连接，每隔30ms自发地向上位机传输测量结果，所有通讯模块均采用光耦隔离方式与上位机进行通讯，该测量系统相对于现有的卫星姿态测量系统的测试方法，大大缩短了生产周期，降低了成本，节省了功耗，通用性好，体积小，测量精度高，可靠性高，模块化程度高，有利于大规模生产。

Description

一种AMU一体式姿态测量系统

技术领域

本发明涉及航天器姿态测量系统的技术领域，具体为一种AMU 一体式姿态测量系统。

背景技术

航天技术是基础科学和技术科学的集成，航天技术是一门综合性的工程 技术，由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规 模庞大，技术高新尖端，而且人力物力耗费巨大，工程周期长。

目前，航天器上用的姿态敏感器有3轴磁强计、太阳敏感器、地平仪以 及星敏感器，基于这些矢量观测来确定姿态。为了满足航天使用要求，需提 高卫星平台关键测量单机的性能。

单纯依靠矢量观测进行姿态解算要求参考矢量足够精确，由于敏感期的 失准误差、测量误差等因素影响，往往难以满足高精度的要求。

发明内容

基于上述目的，本发明提供一种AMU一体式姿态测量系统，用 于解决现有技术中测量系统重量大、体积大和功耗大，并且生产成本 高的问题。

AMU采用多芯片系统封装集成SIP技术，SIP技术改变了传统 基于印制板的电路设计模式，使系统更紧凑、性能更好。通过这种技 术可以设计出国产SIP单片集成的AMU一体式姿态测量，极大地提 高了系统的可靠性、减少了成本。改变现有航天器姿态的测量模式，使航天器具有高可靠性、高精度、高速、高机动的性能，从而在空间 环境中具有极好的适应性和生存能力。

具体地，本发明提供的一种AMU一体式姿态测量系统，包含电 源模块、光电转换模块、上位机通讯模块、10轴惯性导航模块和A/D 采集模块。

进一步地，所述的光电转换模块每一个都有4路转换通道，可同 时转换4路入射太阳光信号并转换为电信号，本发明的AMU一体式 姿态测量系统选用2个光电转换模块，可同时进行8路太阳入射光线 信号采集。

进一步地，所述测量系统还包含CPU模块，10轴惯性导航模块 与CPU模块电性连接，10轴惯性导航模块包含X、Y、Z3轴16位 陀螺仪采集模块、3轴16位加速度采集模块和3轴16位磁强计采集 模块。

进一步地，所述的A/D信号采集模块与CPU模块电性连接。

进一步地，所述的上位机通讯模块与CPU模块电性连接，每隔 30ms自发地向上位机传输测量结果，所有通讯模块均采用光耦隔离 方式与上位机进行通讯，所述通讯模块有多种可选择接口方式。

进一步地，所述的接口方式选择RS422、SPI、I2C、UART、CAN 中的一种。

本发明提供的一种AMU一体式姿态测量系统，当航天器处于太 阳光照射范围内时，太阳光在某一特定入射角照射敏感器，光电转换 模块开始工作，我们可以用测量出太阳矢量即入射角和方位角的方法 对航天器定姿；当航天器不在太阳光照射范围内时，我们可以依据 10轴惯性导航模块中的3轴16位陀螺仪传感器、3轴16位加速度计 以及3轴16位磁强计传感器的测量值，计算欧拉角(即偏航角、俯 仰角以及横滚角)，对航天器定姿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种AMU一体式姿态测量系统，包括电源模块， 光电转换模块、上位机模块，10轴惯性导航模块和A/D采集模块， 相对于现有的卫星姿态测量系统的测试方法，大大缩短了生产周期， 降低了成本，节省了功耗，通用性好，体积小，测量精度高，可靠性高，模块化程度高，有利于大规模生产。

附图说明

图1为本发明总框架示意图

图2为电源模块电路示意图

图3为光电转换电路图

图4为10轴惯性导航模块电路图

图5为磁强计灵敏度轴的方向图

图6为灵敏度轴方向和旋转极性图

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的技术方案进行说明，但是，本发明并 不限于下述的实施方法。

根据图1所示，一种AMU一体式姿态测量系统，包括电源模块， 光电转换模块、上位机模块，10轴惯性导航模块和A/D采集模块。 所述A/D采集模块与CPU模块电性连接；所述10轴惯性导航模块 与CPU模块电性连接，其中10轴惯性导航模块包括X、Y、Z3轴 16位陀螺仪电性连接，3轴16位加速度典型连接以及3轴16位磁强 计电性连接以及1轴气压电性连接；所述A/D信号采集模块与CPU 模块电性连接；所述的上位机通讯模块与CPU模块电性连接，每隔 30ms自发地向上位机传输测量结果，通讯模块有多种可选择的接口 方式，具体选择RS422、SPI、I2C、UART和CAN中的一种。

电源模块采用德州仪器TI的电源管理芯片TPS63系列，它输入 电压范围为1.8V～5.5V，输出电压为3.3V的DC-DC转化模块，输 出电流1.8A，工作温度范围-40℃～+85℃，封装为QFN3×3，器件 参数选型方便，成本较低，布局灵活，质量稳定耐高温，具有过压欠 压保护。

CPU芯片选用STM32F1系列,它使用高性能的ARM Coretx-TM-M332位RISC内核，最高72MHz工作频率，内置高速存 储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O 端口和链接到两条APB总线得外设，工作温度范围为-40℃～105℃， 供电电压为2V～3.6V，一系列的省电模式可以保证低功耗的要求。

10轴惯性导航模块选用Invense的ICM系列,它内部集成有3轴 陀螺仪传感器、3轴加速度传感器以及3轴磁强计传感器，ICM20948 由2个裸片构成，QFN封装(3×3×1mm),拥有很强的性能和很低 的功耗，内置数字运动处理引擎，可减少复杂的融合演算数据，减轻处理器的负荷，精度更高，内置温度传感器可进行温度补偿，一个裸 片集成加速度计和DMP，另一个裸片集成3轴磁力计，均有512字 节FIFO，运行时校准功能以及增强的FSYNC功能，可改善类似视频 防抖应用的时序。陀螺仪可编程量程范围为：±250dps,±500dps， ±1000dps，±2000dps；加速度计可编程量程范围为：±2g，±4g，±8g， ±16g；磁强计的量程范围为：±4900Μt；内嵌温度传感器和可编程中断， 设备功能接口有SPI和I2C，VDD操作电压范围从1.7V～3.6V及一 个独立的数字I/O供电从1.71V～1.95V，与设备上的寄存器通过高达 标准100KHZ或快速400KhZ的I2C或者高达7MHZ的SPI接口。

光电转换模块，主要完成太阳光线入射角以及方位角的测量。光 电转换传感器选用日本滨松的硅光电转换二极管，感光面积达5× 5mm光频响应范围320～1100nm，峰值灵敏度波长960nm，灵敏度 为0.72A/W，暗电流2000PA。工作温度范围达-40℃～+100℃，存储温度范围-40℃～+125℃，体积小功耗低。

目前有5种可选择的光耦隔离通讯接口，分别是：CAN、RS422、 I2C、SPI、UART，每种接口有自己的特点，分别如下所述：

RS422采用4线通讯，全双工差分传输，它采用平衡传输，采用 单向非可逆，采用单独的发送和接收通道，因此不需要控制数据方向， 各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件握手方式或一对单独 双绞线的硬件方式。其次，RS422需要一终接电阻，要求其阻值约等 于传输电缆的特性阻抗，终接电阻接在传输电缆的最远端。

CAN总线是ISO国际标准化的串行通讯总线，属于现场总线范 畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，它的 优势在于：网络各节点之间的数据通讯实时性强。CAN控制器工作 与多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权，采用无损结 构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，废除了地址编码，对通讯 数据进行编码，可使不同的节点同时收到相同的数据，使得CAN总 线构成的网络各节点之间的数据通讯实时性强，并且容易构成冗余结 构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。其次，开发周期短。CAN总线通过CAN收发器接口芯片的两个输出端与物理总线相连，而 CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或 悬浮状态，这就保证了当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数 据时，导致总线呈现短路，从而损害某些节点的现象。而且CAN节 点在错误严重的情况下会自动关闭输出功能，使总线上其它节点的操 作不受影响；并且CAN具有完善的通讯协议可由CAN控制器芯片 及其接口芯片来实现，大大地降低了系统开发难度，缩短了开发周期， 与其他现场总线比较而言，CAN总线具有通信速率高，容易实现且 性价比高等特点。

I2C总线采用两线即串行数据线SDA和串行时钟线SCL，都是 双向I/O线,接口电路为开漏输出，须通过上拉电阻接至VCC，总线 接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且芯片上的接 口电路滤波器可以滤去总线数据上的毛刺，因此I2C总线简化硬件PCB布线，降低了系统成本，提高系统可靠性。除了这两根线和少量 中断线，与系统再没有连接线，可以容易形成标准化和模块化，便于 重复利用；I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便与系统故障 诊断和调试，故障可以立即被寻址；总线具有极低的电流消耗，抗高噪声干扰，兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。

SPI总线是一种高速的同步的全双工串行通讯总线，采用四线制， 分别是SI、SO、SCLK以及CS。传输的速率由时钟信号SCLK决定， SI为数据输入，SO为数据输出，CS为片选信号。SPI接口支持全双 工操作，数据传输率高，操作相对简单。

一种AMU一体式姿态测量系统中以上各种接口都可适用，每个 AMU一体式姿态测量系统的接口是固定单一的，用户可根据自己需 求选择定制其中任何一种。

如上所述，即可较好地实现本发明，但是上述的实施方式仅仅是 对本发明进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明 设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的 各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种AMU一体式姿态测量系统，其特征在于，包含电源模块，光电转换模块、上位机通讯模块、10轴惯性导航模块和A/D采集模块。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统包含2个光电转换模块，每个都有4路转换通道，可同时转换8路入射太阳光信号并转换为电信号。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括CPU模块，所述的10轴惯性导航模块、A/D采集模块与CPU模块电性连接。

4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述10轴惯性导航模块包含X、Y、Z 3轴16位陀螺仪采集模块、3轴16位加速度采集模块和3轴16位磁强计采集模块。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述上位机通讯模块与CPU模块电性连接，每隔30ms自发地向上位机传输测量结果，所有通讯模块均采用光耦隔离方式与上位机进行通讯，所述通讯模块有多种可选择接口方式。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述接口方式选择RS422、SPI、I2C、UART、CAN中的一种。

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