CN113916216A - 惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统。数据同步方法包括：使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；星敏感器收到采样同步脉冲信号后，使其内部工作时钟和采样同步脉冲同步，并根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致；星敏感器在成像积分中间时刻向惯性测量单元发送成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；使星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

Description

惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统

技术领域

本发明涉及航天运载器导航技术领域，具体为一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统。

背景技术

在航天运载器所使用的惯性与星光组合导航系统中，惯性测量单元的测量信息采样频率较高，可达到1000Hz以上，而星敏感器的测量信息采样频率较低，通常为1Hz或者更低，并且星敏感器进行星光测量需要较长的成像时间，通常为数十毫秒。因此，在使用惯性测量信息与星光测量信息进行组合导航前，需要对信息处理数据进行时间对齐，保证进入组合导航滤波器的惯性测量信息与星光测量信息为同一时刻的信息。

目前，在惯性与星光组合导航系统中，惯性测量单元与星敏感器单独按照各自时序工作，在惯性信息完成采集后，开始计时，直至星光测量信息到来后停止计时，然后利用该时间和采集到的惯性信息，将惯性测量信息外推至星光测量信息到来时刻，从而完成惯性信息与星光测量信息的时间同步。该方法需要对惯性信息数据进行线性外推，存在推算误差，且未考虑星敏感器采集星光信息时的成像积分时间以及信息处理解算带来的延时影响，无法充分发挥星敏感器高精度姿态测量的优势。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统。该数据同步方法可消除星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量数据信息与星光测量数据信息同步的影响，保证惯性测量数据和星光测量数据的同步性，避免因使用传统方法对数据按时间进行线性外推带来的误差。

本发明的一个方面提供了一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法。该方法包括以下步骤：

对惯性测量单元与星敏感器同时上电后分别进行初始化；

使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；

星敏感器收到采样同步脉冲信号后，使其内部工作时钟和采样同步脉冲同步，并根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致；

星敏感器在成像积分中间时刻向惯性测量单元发送成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；

使星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

进一步地，所述并根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的具体方法为：根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致。

更进一步地，所述根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的方法为：

利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT；

星敏感器在收到惯性测量单元发送的同步脉冲后，延时ΔT开始成像积分，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的信息采集时刻对齐。

进一步地，所述利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT的方法为：

ΔT＝mod(星敏感器成像积分时间/2，惯性测量单元采样时间)，mod为取余计算。

在一个实施例中，所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，还包括在惯性测量单元与星敏感器之间设置成像积分中间时刻脉冲信号接口，使所述成像积分中间时刻脉冲信号通过所述成像积分中间时刻脉冲信号接口传输。

在一个实施例中，所述使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号的方法，具体为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置同步脉冲信号接口，使采样同步脉冲信号通过所述同步脉冲信号接口传输。

在一个实施例中，所述星敏感器完成图像信息处理解算后，使星光测量信息数据发送给测量单元内的导航计算机的方法为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置数字通讯接口，使星光测量数据信息通过所述数字通讯接口传输。

在上述实施例中，本发明的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，以采样频率较高且采样周期固定的惯性测量单元采样时刻作为惯性测量单元与星敏感器之间的采样数据同步时刻。

本发明的另一个方面提供了一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统，用于执行上述实施例中任一项所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法。该惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统至少包括：惯性测量单元、星敏感器、导航计算机、同步脉冲信号接口、成像积分中间时刻脉冲信号接口以及数字通讯接口；其中所述同步脉冲信号接口，用于在使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；所述成像积分中间时刻脉冲信号接口，用于向惯性测量单元发送星敏感器在成像积分中间时刻产生的成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；所述数字通讯接口，用于将星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

进一步地，该惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统还包括时间戳单元，用于为每一帧测量数据加入时间信息。

本发明的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统，根据惯性测量单元采样同步脉冲到来时刻，计算调整星敏感器成像积分中间时刻，使星敏感器的成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致，并将成像积分中间时刻发送至惯性测量单元，利用成像积分中间时刻脉冲对惯性测量数据进行锁存。如此，可消除星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量信息与星光测量信息同步的影响，保证了惯性测量数据和星光测量数据的同步性，避免了因使用传统方法对数据按时间进行递推带来的误差，可以充分发挥星敏感器高精度姿态测量的优势。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法的流程图。

图2是根据本发明实施例的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法的采样时间示意图。

图3根据本发明实施例的惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

本发明的一个方面提供了一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法。该数据同步方法主要应用于航天运载器发射过程中的组合导航系统。

参见图1，该惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法包括以下步骤：

S10对惯性测量单元与星敏感器同时上电后分别进行初始化；

S20使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；

S30星敏感器收到采样同步脉冲信号后，使其内部工作时钟和采样同步脉冲同步，并根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致；

S40星敏感器在成像积分中间时刻向惯性测量单元发送成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；

S50使星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

惯性测量单元与星敏感器同时上电工作，惯性测量单元完成初始化后，在对陀螺和加速度计输出进行采样时刻，向星敏感器发送采样同步脉冲信号。由于在星敏感器的测量周期内成像积分中间时刻的测量数据最稳定，本发明在星敏感器收到惯性测量单元发送的同步脉冲信号后，使工作时钟与采样同步脉冲信号同步，根据当前成像积分参数选取成像积分中间时刻使其与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻同步。也就是说，要保证成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致，星敏感器将成像积分中间时刻脉冲发送给惯性测量单元，惯性测量单元接收到积分中间时刻脉冲时刻正好是惯性测量信息采样时刻，立刻将当前采样同步脉冲对应的惯性数据信息进行锁存，以使惯性测量信息与星光测量信息数据的同步，也就是说使锁存的惯性测量信息与星光测量信息数据为同一时刻的数据。

随后将星敏感器测得的星光测量信息进行图像信息处理解算后发送至惯性测量单元内的导航计算机，使导航计算机同时对接收到的星光测量信息和惯性单元在与星敏感器测量对应时间测得的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。通过本发明实施例的方法，可保证惯性测量信息与星光测量信息为同一时刻的采样值，无需再对惯性测量数据进行外推或插值计算，并消除星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量信息与星光测量信息同步的影响，使数据信息同步率提升，对运载器导航过程更精准。

收到惯性测量单元发送的采样同步脉冲前，星敏感器工作在待机状态。在收到惯性测量单元发送的采样同步脉冲后，星敏感器将其内部工作时钟与采样同步脉冲进行同步，并根据当前的成像积分时间参数，计算在每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，使成像积分中间时刻与惯性测量单元发送的采样同步脉冲时刻一致。

进一步地，根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的具体方法为：根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致。

本发明的实施例在收到惯性测量单元发送的采样同步脉冲后，首先使星敏感器将其内部工作时钟与采样同步脉冲进行同步，并根据当前的成像积分时间参数，计算在每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，选取成像积分中间时刻并将所述成像积分中间时刻脉冲发送给惯性测量单元，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致。惯性测量单元在接收到成像积分中间时刻脉冲时，立刻将此时的惯性测量信息锁存，以使惯性测量信息与星光测量信息数据同步。本发明利用锁存惯性测量数据的方法进行惯性与星光组合导航，消除了星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量信息与星光测量信息同步的影响。

在一个实施例中，根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的方法为：利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT；星敏感器在收到惯性测量单元发送的同步脉冲后，延时ΔT开始成像积分，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的信息采集时刻对齐。

具体地，在收到惯性测量单元发送的采样时刻同步脉冲信号后，星敏感器需要根据当前的成像积分时间T2，计算成像积分开始时刻与惯性测量单元采样时刻脉冲的时间差值ΔT，使星敏感器成像积分中间时刻与惯性测量单元的信息采集时刻严格对齐。星敏感器在积分中间时刻向惯性测量单元发送成像积分时刻同步脉冲，惯性测量单元在收到该同步脉冲后，对与该同步脉冲时刻对应的惯性信息采样数据进行锁存，以用于后续的组合导航数据处理。

进一步地，利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT的方法为：

ΔT＝mod(星敏感器成像积分时间/2，惯性测量单元采样时间)，mod为取余计算。

参见图2，具体地，惯性测量单元的采样时间为T1，星敏感器的成像积分时间为T2，由于惯性测量数据的采样时间很短，而星敏感器需要一段时间进行积分，以获得较多的能量成像，因此T1要小于T2；利用公式ΔT＝mod(T2/2,T1),mod为取余计算，计算得到ΔT。

当需要星敏感器进行成像时，星敏感器在收到惯性测量单元发送的采用同步时刻脉冲后，延时ΔT后开始成像积分，在成像积分中间时刻(T2/2时刻)向惯性测量单元发送成像积分中间时刻同步脉冲。从图中可以看出，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲时，正好是惯性测量信息的采样时刻，并将此时的惯性测量信息锁存，从而可以得到同一时刻的惯性测量信息与星光测量信息，无需再对惯性测量数据进行外推或插值计算，并消除星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量信息与星光测量信息同步的影响。

在上述实施例中，鉴于惯性测量单元采样频率较高且采样周期固定，所以将惯性测量单元采样时刻作为惯性测量单元与星敏感器之间的采样数据同步时刻。

在一个实施例中，所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，还包括在惯性测量单元与星敏感器之间设置成像积分中间时刻脉冲信号接口，使所述成像积分中间时刻脉冲信号通过所述成像积分中间时刻脉冲信号接口传输。

本发明的实施例在惯性测量单元与星敏感器之间设置成像积分中间时刻脉冲信号接口，以保证惯性测量单元通过该接口将采样同步脉冲信号发送给星敏感器。

在上述实施例中，使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号的方法，具体为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置同步脉冲信号接口，使采样同步脉冲信号通过所述同步脉冲信号接口传输。

本发明的实施例在惯性测量单元与星敏感器之间设置采样同步脉冲信号接口，以保证在惯性测量单元准备对陀螺仪和加速度计进行采样的同时将采样同步脉冲信号通过该采样同步脉冲信号接口发送给星敏感器。通过该同步脉冲信号接口传输速度更快，可以提升数据同步的精度。

在一个实施例中，星敏感器完成图像信息处理解算后，使星光测量信息数据发送给测量单元内的导航计算机的方法为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置数字通讯接口，使星光测量数据信息通过所述数字通讯接口传输。

本发明的实施例为了使数据通讯更快，通过在惯性测量单元与星敏感器之间设置数字通讯接口，以保证将星光测量信息通过该数字通讯接口发送给在惯性测量单元内的导航计算机。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本发明的另一个方面提供了一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统，用于执行上述实施例中任一项所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法。

参见图3，该惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统至少包括：惯性测量单元A、星敏感器B、导航计算机、同步脉冲信号接口1、成像积分中间时刻脉冲信号接口2以及数字通讯接口3，其中导航计算机设置于惯性测量单元A内部。同步脉冲信号接口1，用于在使惯性测量单元A对陀螺仪和加速度计进行采样时向星敏感器B发送采样同步脉冲信号；成像积分中间时刻脉冲信号接口2，用于向惯性测量单元A发送星敏感器B在成像积分中间时刻产生的成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元A接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；数字通讯接口3，用于将星敏感器B测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元A内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

本发明的惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统，通过脉冲信号接口1、成像积分中间时刻脉冲信号接口2以及数字通讯接口3的配合，可以确保星敏感器和惯性测量单元之间的脉冲信号传输以及数据传输，进而完成惯性测量信息与星光测量信息的同步，使航天运载器的导航精度得到显著提高。

进一步地，该惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统还包括时间戳单元，用于为每一帧测量数据加入时间信息。

在该实施例中通过在该数据同步系统中加入时间戳单元，实现在惯性测量信息和星光测量数据中加入时间信息，进而可以通过查找对应时刻的相应测量数据，完成惯性测量信息与星光测量信息的同步。

本发明的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统，可保证最终得到的惯性测量信息与星光测量信息为同一时刻的采样值，而利用成像积分中间时刻脉冲使惯性测量数据进行锁存，可消除星敏感器成像和信息处理延时对惯性测量信息与星光测量信息数据同步的影响，进而消除由于数据信息不同步而产生的航天运载器导航误差，可以充分发挥星敏感器高精度姿态测量的优势。

本发明的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本专利申请要求于2020年9月9日提交的，申请号为202010937958.9，申请人为蓝箭航天空间科技股份有限公司，发明名称为“惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法及系统”的中国专利申请的优先权，该申请的全文以引用的方式并入本申请中。

Claims (10)

1.一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

对惯性测量单元与星敏感器同时上电后分别进行初始化；

使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；

星敏感器收到采样同步脉冲信号后，使其内部工作时钟和采样同步脉冲同步，并根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致；

星敏感器在成像积分中间时刻向惯性测量单元发送成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；

使星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

2.根据权利要求1所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，所述根据当前成像积分时间参数，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的具体方法为：根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致。

3.根据权利要求2所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，所述根据星敏感器每个测量周期内的成像开始时间和结束时间，计算得到成像积分中间时刻，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的采样同步脉冲时刻一致的方法为：

利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT；

星敏感器在收到惯性测量单元发送的同步脉冲后，延时ΔT开始成像积分，使成像积分中间时刻与惯性测量单元的信息采集时刻对齐。

4.根据权利要求3所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，所述利用利用星敏感器设置的成像积分时间与惯性测量单元采样时间，计算得到星敏感器成像积分开始时刻与惯性测量单元采样同步脉冲时刻的时间差值ΔT的方法为：

ΔT＝mod(星敏感器成像积分时间/2，惯性测量单元采样时间)，mod为取余计算。

5.根据权利要求1所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，还包括在惯性测量单元与星敏感器之间设置成像积分中间时刻脉冲信号接口，使所述成像积分中间时刻脉冲信号通过所述成像积分中间时刻脉冲信号接口传输。

6.根据权利要求1-5任一项所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，所述使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样，同时向星敏感器发送采样同步脉冲信号的方法，具体为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置同步脉冲信号接口，使采样同步脉冲信号通过所述同步脉冲信号接口传输。

7.根据权利要求6所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，所述星敏感器完成图像信息处理解算后，使星光测量信息数据发送给测量单元内的导航计算机的方法为：在惯性测量单元与星敏感器之间设置数字通讯接口，使星光测量数据信息通过所述数字通讯接口传输。

8.根据权利要求7所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，其特征在于，以采样频率较高且采样周期固定的惯性测量单元采样时刻作为惯性测量单元与星敏感器之间的采样数据同步时刻。

9.一种惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统，其特征在于，用于执行权利要求1-8任一项所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步方法，至少包括：惯性测量单元、星敏感器、导航计算机、同步脉冲信号接口、成像积分中间时刻脉冲信号接口以及数字通讯接口；

其中所述同步脉冲信号接口，用于在使惯性测量单元对陀螺仪和加速度计进行采样时向星敏感器发送采样同步脉冲信号；

所述成像积分中间时刻脉冲信号接口，用于向惯性测量单元发送星敏感器在成像积分中间时刻产生的成像积分中间时刻脉冲，惯性测量单元接收成像积分中间时刻脉冲并将此时的惯性测量信息锁存；

所述数字通讯接口，用于将星敏感器测得的星光测量信息经过处理解算后发送给惯性测量单元内的导航计算机，导航计算机将所述星光测量信息和对应时刻的惯性测量信息进行组合导航滤波计算。

10.根据权利要求9所述的惯性测量信息与星光测量信息数据同步系统，其特征在于，还包括时间戳单元，用于为每一帧测量数据加入时间信息。

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