一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘

摘要

一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘，包括敏感子系统、信号采集及预处理子系统、综合处理子系统，其中敏感子系统实现对天文信息和惯性信息的采集，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统，信号采集及预处理子系统对这两种信息进行平滑和预处理，并将所得的星点、质心位置信息以及平滑后的陀螺信息送入综合处理子系统，综合处理子系统将接收到的惯性信息和天文信息进行同步处理，完成星图识别和姿态确定，并采用基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿方法，实现系统的姿态确定。本发明实现了一种小体积、低功耗、低成本的惯性恒星罗盘，对实现微纳航天器的高性能定姿具有重要的实践意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘，适用于空间环境分布式组网探测用微纳航天器的高性能定姿。

背景技术

随着国民经济的发展，急需利用宽幅大范围卫星对海洋、环境、农林等资源进行高分辨率的对地观测与监控，但目前国内外还都是利用幅宽窄、成本高的大型卫星来实现。而随着卫星技术的飞速发展，微纳卫星以其成本低、重量轻、研制周期短及易于编队组网等特点，成为引领未来空间分布式探测技术的一个重要发展方向；它能够通过编队组网，实现大幅宽、低成本的分布式高分辨率对地观测任务。

目前国内外大都采用星敏感器、太阳敏感器、地平仪等天体敏感器同惯性角速率传感器相组合的方式构成组合定姿系统，对航天器进行组合定姿。2004年美国Draper实验室研制出了一种体积较小、功耗较低、重量轻、定姿精度较高、适用于微小卫星(重量约为10～100kg，携带的能源较少)定姿的组合定姿系统——惯性恒星罗盘；它集成了光学系统、CMOS APS敏感器件、MEMS惯性角速率陀螺仪和处理系统四个部分，可提供不间断的姿态信息。但以上所述的组合定姿系统，其惯性信息处理单元与天文信息处理单元均是分开存在的，因而集成度不高，进而导致体积和功耗很难满足微纳卫星(重量约为1～10kg，携带的能源非常有限)高性能定姿的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、功耗低、成本低、重量轻，适用于微纳航天器高性能定姿的惯性恒星罗盘。

本发明的技术解决方案是：一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘，包括敏感子系统、信号采集及预处理子系统、综合处理子系统：其中敏感子系统实现对天文信息和惯性信息的采集，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统；信号采集及预处理子系统控制敏感子系统中天文信息和惯性信息的采集，并对这两种信息进行平滑和预处理，完成星图去噪、畸变校正、质心提取和陀螺数据平滑的功能，将所得到的星点、质心位置信息以及陀螺信息送入综合处理子系统；综合处理子系统将接收到的星点、质心位置信息以及陀螺信息进行同步处理，完成星图识别和姿态确定，并采用基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿方法，实现系统的姿态确定。

其中敏感子系统包括光学系统、CMOS APS敏感器件和MEMS陀螺，其中光学系统与CMOS APS敏感器件实现对天文信息的敏感，将其转换成相应的电信号并进行跟随和放大的处理，然后输入信号采集及预处理子系统；MEMS陀螺完成对三个相互垂直方向上惯性信息的敏感，并将其转换成相应的电信号，然后输入信号采集及预处理子系统。

其中信号采集及预处理子系统包括A/D转换模块、FPGA芯片、配置芯片、SRAM(或SDRAM)存储器、时钟电路和电源模块，其中A/D转换模块和FPGA芯片将从敏感子系统传来的天文信息和惯性信息转换成数字信号，完成星图去噪、畸变校正、质心提取和陀螺数据平滑的功能，输出星点、质心位置信息和陀螺信息，并将这些信息送入综合处理子系统中；时钟电路为FPGA芯片提供时钟信号，配置芯片为FPGA芯片存储软件程序，SRAM(或SDRAM)存储器为FPGA芯片提供存储空间，电源模块为信号采集及预处理子系统提供电源。

其中综合处理子系统包括电平转换接口电路、DSP(或ARM)芯片、外扩Flash存储器、SDRAM(或SRAM)存储器、电源模块、时钟电路和串口扩展模块，其中电平转换接口电路、DSP(或ARM)芯片和串口扩展模块接收来自信号采集及预处理子系统的星点、质心位置信息以及陀螺信息，完成星图识别、姿态确定和惯性恒星罗盘组合定姿；时钟电路为DSP(或ARM)芯片提供时钟信号，外扩Flash存储器为DSP(或ARM)芯片存储软件程序，SDRAM(或SRAM)存储器为DSP(或ARM)芯片提供存储空间，电源模块为综合处理子系统提供电源。

其中基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿方法，是将CMOS APS敏感器件敏感到的天文信息经过质心提取和星图识别得到观测数据，之后与参考星历提供的参考矢量和MEMS陀螺提供的惯性信息，结合最优REQUEST算法，解算得到q阵作为UKF滤波器的观测矢量，通过UKF滤波，得到惯性恒星罗盘的姿态四元数和陀螺漂移估计，以补偿陀螺的输出，最后由姿态四元数解算惯性恒星罗盘的姿态参数，完成惯性恒星罗盘的组合定姿。

本发明的原理是：利用光学系统+CMOS APS敏感器件和MEMS陀螺敏感天文信息与惯性信息，经过A/D变换后，由预先经过编程配置的FPGA芯片进行预处理，预处理的内容包括惯性信息的平滑、星图去噪、畸变校正和质心提取等；经FPGA处理后得到的星点、质心位置信息以及平滑后的惯性信息输入到综合处理子系统，由高性能的DSP(或ARM)芯片辅以外扩的SDRAM(或SRAM)存储器和外扩的Flash存储器，进行CMOS APS敏感器件的星图识别、姿态确定和基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)利用了传统惯性/天文组合导航算法简单，易于参数设置和优化，以及工程实现成熟的优点，适用于微纳航天器的组合定姿；(2)由于采用了CMOS APS敏感器、MEMS陀螺和基于DSP(或ARM)芯片的处理系统，使得整个系统的体积、功耗、质量都大大减小；(3)将惯性信息和天文信息的处理单元集成在一起，明显提高了系统的集成度，减小了系统的体积和功耗；(4)针对各子系统功能需求，采用具有处理速度快、控制能力强等显著特点的DSP(或ARM)芯片，实现系统的小型化和一体化设计；(5)为提高实时性，组合导航时采用并行采集MEMS陀螺、CMOS APS星敏感器的输出数据方式，并通过平滑处理后输入到综合处理子系统，实现实时的姿态信息获取。本发明的特点在于：(1)采用CMOS APS敏感器件来敏感星光，并作为系统天文信息的数据来源，相比CCD敏感器件具有高集成度、低功耗的优点；(2)采用MEMS陀螺来敏感惯性信息，作为系统惯性信息的数据来源，不存在机械活动部件，大大提高了可靠性，并且具有小型化、低功耗的特点；(3)在系统上预留有与PC机、上位机连接的串口及作调试用的JTAG接口，可以方便地与其他设备进行连接，预留了与GPS系统连接的接口，对扩展实现微小型、低功耗的惯性恒星罗盘/卫星组合定位定姿系统具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明的天文信息跟随、放大电路；

图3为本发明的信号采集及预处理子系统结构示意图；

图4为本发明的综合处理子系统结构示意图；

图5为本发明的总体信号流程图；

图6为本发明的信号采集及预处理子系统电源电路；

图7为本发明的综合处理子系统电源电路；

图8为本发明的综合处理子系统的时钟电路；

图9为本发明的综合处理子系统串口扩展模块的电路图；

图10为本发明的综合处理子系统电平转换接口电路；

图11为本发明的基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由敏感子系统1、、综合处理子系统3组成。敏感子系统1主要包括光学系统11、CMOS APS敏感器件12和MEMS陀螺13，其中光学系统11和CMOS APS敏感器件12实现对天文信息的敏感及相应的光电转换，MEMS陀螺13完成对三个相互垂直方向上惯性信息的敏感及相应的光电转换；天文信息和惯性信息均送至信号采集及预处理子系统2。

如图2所示，本发明的天文信息跟随、放大电路，从CMOS APS敏感器件得到的天文信息信号强度不高，不利于进行下一步的转换和处理，因此需要先对其进行放大，这里采用了专用的模拟信号放大芯片OPA680SOP，具有稳定的增益和良好的电压反馈性能。

如图3所示，为本发明的信号采集及预处理子系统2结构示意图，该子系统包括A/D转换模块21、FPGA芯片22、配置芯片23、SRAM(或SDRAM)存储器24、时钟电路25和电源模块26，其中A/D转换模块21接收来自敏感子系统1的天文信息和惯性信息，将其进行A/D转换后传入到FPGA芯片22中，其中FPGA芯片22及其配套的程序配置芯片23分别采用Cypress公司的Spartan 3 XC3S400和XCF02SVO20C，属于系列配套产品，避免了兼容问题的出现。在FPGA芯片22的外围外扩了SRAM存储器24，用以对来自敏感子系统1的天文信息和惯性信息进行缓存。时钟电路25对本子系统提供独立的时钟信号，电源模块26为FPGA芯片22提供所需的1.2V、2.5V和3.3V电压，并为配置芯片23提供3.3V电压。本实施例中，先由A/D转换器21对接收到的惯性信息和天文信息进行转换，然后将两种信息传输到FPGA芯片22中。在FPGA芯片22周围设置了容量为2MByte的SRAM存储器24，可以对处理前、后的数据进行临时存储，起到很好的缓冲作用；在配置芯片23中预先装入了实现包括星图去噪、畸变校正、质心提取和陀螺数据平滑等功能的星图预处理和陀螺数据平滑的软件程序，当FPGA芯片22接收到敏感子系统1传来的数据时，程序便开始工作。经处理之后，可以由天文信息得到星点、质心位置信息，由惯性信息得到经过平滑处理的陀螺信息。

如图4所示，为本发明的综合处理子系统3结构示意图，该子系统包括电平转换接口电路31、DSP(或ARM)芯片32、外扩Flash存储器33、SDRAM(或SRAM)存储器34、电源模块35、时钟电路36和串口扩展模块37，其中电平转换接口电路31将信号采集及预处理子系统2输出的星点、质心位置信息和平滑后的陀螺信息进行电平转换后送入DSP芯片(TMS320C6711)或ARM芯片(AT91RM9200)32，DSP(或ARM)芯片32通过串口扩展模块37实现收发数据，利用DSP(或ARM)芯片32处理速度快、运算精度高等优点，完成星图识别的功能，从而实现罗盘姿态确定，并利用罗盘和陀螺姿态实现组合定姿。DSP(或ARM)芯片32处理过程中所需的软件程序事先固化在外扩的Flash存储器33中，另外还外扩了SDRAM存储器34用以存储处理前后的数据。时钟电路36对本子系统提供独立的时钟信号，电源模块35为DSP(或ARM)芯片32提供所需的1.8V内核电压和外围电路所需的3.3V电压。

如图5所示，为本发明的总体信号流程图，惯性信息和天文信息分别通过MEMS陀螺13和CMOS APS敏感器件12转换成模拟信号，经过A/D转换模块21转换成数字信号之后，进入FPGA芯片22进行预处理；同时FPGA芯片22对CMOS APS敏感器件12和MEMS陀螺13发出控制信号，控制天文信息和惯性信息的采集。经FPGA芯片22预处理之后的信息通过电平转换接口电路31进入DSP(或ARM)芯片32，完成姿态解算、组合定姿等，从而得到惯性恒星罗盘的姿态信息。

如图6所示，本发明的信号采集及预处理子系统2的电源模块，由外界提供5V的直流稳压电源，分别经过电压转换芯片TPS70445PWP和AS1117-2.5进行电压转换，为FPGA芯片22提供所需的1.2V、2.5V和3.3V电压，并为配置芯片提供3.3V电压。

如图7所示，本发明的综合处理子系统3的电源模块，由外界提供5V的直流稳压电源，分别经过电压转换芯片TPS75518和TPS75533进行电压转换，为DSP(或ARM)芯片32提供所需的1.8V内核电压和外围电路所需的3.3V电压。

如图8所示，本发明的综合处理子系统3的时钟电路，首先由25MHz的晶振产生初始的25MHz时钟频率，再经过倍频芯片ICS501M倍频。拨码开关可以控制倍频芯片的工作模式：对输入信号可以选择进行×4、×5、×6、×8中的一种倍频方式。

如图9所示，本发明的综合处理子系统3的串口扩展模块电路，利用专用的一扩二串口扩展芯片TL16C752B，通过串口收发芯片MAX3232CSE和MAX3488分别扩展出RS-232和RS-422串行接口。通过此串口扩展模块可对本惯性恒星罗盘进行测试，并可以达到保护电路和利于信号传输的目的。

如图10所示，为本发明的综合处理子系统3的电平转换接口电路，由于本发明是5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等多种电压共同存在的系统，输入DSP(或ARM)芯片32、FPGA芯片22的信号电压超过其本身的承受范围，可能会对器件造成损坏，这里采用专用的电压转换芯片74ALVCH162244对各子系统之间的通信信号进行电压转换，以达到保护电路的目的。

如图11所示，本发明的基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿流程图，初始化后，由CMOS APS星敏感器12经过质心提取和星图识别得到的观测数据，与参考星历提供的参考矢量和MEMS陀螺13提供的惯性信息，输入到最优REQUEST算法，提供解算得到的q阵作为UKF滤波器的观测矢量，通过UKF滤波，一方面得到惯性恒星罗盘的姿态四元数，另一方面得到陀螺漂移估计，以补偿陀螺的输出，最后由姿态四元数解算惯性恒星罗盘的姿态参数，程序结束。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。