用于卫星闭环仿真测试的太阳敏感器模拟器

摘要

用于卫星闭环仿真测试的太阳敏感器模拟器，属于卫星测试领域。它将三类太阳敏感器的信号输出同时模拟实现。它利用正常指令控制计算机和故障指令控制计算机给FPGA现场可编程门阵列发送正常工作指令和故障工作指令，FPGA现场可编程门阵列的内部模块分别对两种指令进行接收并处理，由数据选择模块确保故障工作指令的优先执行，同时错误帧计数模块对正常工作指令中的错误工作指令个数进行计数，并传递给故障指令控制计算机，由FPGA现场可编程门阵列分别对0-1太阳信号源单元、模拟太阳信号源单元和数字太阳信号源单元输出控制数据使相应的太阳信号源单元输出电流。本发明用于卫星的闭环仿真测试中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于卫星闭环仿真测试的太阳敏感器模拟器，属于卫星测试领域。

背景技术

太阳敏感器(sun sensor)是在卫星领域广泛应用的一类敏感器，几乎所有卫星上都配备有太阳敏感器。它是通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位，从而获取卫星相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。卫星运行于外太空轨道，由于太阳的辐射强，轮廓清楚，太阳敏感器很容易感受太阳辐射并由此获得卫星相对于太阳的方位。太阳敏感器通常具有结构简单、可探测视场范围广、工作可靠、功耗低和质量小的特点，它的分辨率从几度到几角秒。太阳敏感器通常包括光学系统、探测器和信号处理电路三个部分，一般把光学系统和探测器的组合称为光学探头。太阳敏感器有三种基本类型：

一、“0-1”式太阳敏感器：这种“0-1”式太阳敏感器又称太阳出现敏感器，主要用于太阳捕获。每个“0-1”式太阳敏感器为一个半球形，分为5个区域，每一区域中有一太阳能电池，被太阳光照射时输出信号为1，否则为0。

二、模拟式太阳敏感器：模拟式太阳敏感器是通过光电池输出的光电流组合产生输出信号。光电池的排列方式使接收的太阳辐射随敏感器姿态而变化。模拟式太阳敏感器输出的是连续量，其大小与符号结合建立的函数可以确定太阳的入射角。当太阳入射角等于0时，太阳敏感器的输出电流差等于0，将此位置称为太阳敏感器零点；当太阳入射角不等于0时，输出电流之差不等于0，利用输出的电流符号和电流值可以确定入射角。

三、数字式太阳敏感器：数字式太阳敏感器的输出信号是太阳入射角的编码形式的离散函数。数字式太阳敏感器由入口缝、码盘、光电池、放大器和缓冲器组成。利用一条窄缝和一个格雷码，透射到每条格雷码上(即每个数字)的辐射能量被一个硅电池转换成光电流。符号位用来确定太阳位于敏感器基准面的哪一边，编码位是提供太阳光偏离基准面的数字量。光电池的输入信号经放大器放大后进入缓冲寄存器，形成测得的二进制数字量。在信号处理电路中采用数字编码细分技术，也就是将码盘最低位输出的模拟信号用模数转换电路进行细分，可以提高敏感器的分辨率，根据这个原理制成的太阳敏感器在很大的视场范围内精度可达0.025度。还有一种采用阵列器件作为探测器的数字式太阳敏感器，其精度可达脚秒级。

上述的太阳敏感器都是安装在实际卫星上，而在对卫星进行地面仿真测试时，也需要模拟太阳敏感器的信号输出以获取卫星相对于太阳方位的信息。现有的卫星在地面仿真测试时所用的太阳敏感器是基于场景驱动的方式，只有受到光的照射才能输出相应的信号，操作复杂，成本高。

发明内容

本发明提供了一种用于卫星闭环仿真测试的太阳敏感器模拟器，它将三类太阳敏感器的信号输出同时模拟实现。

本发明由正常指令控制计算机、故障指令控制计算机、第一RS422芯片、第二RS422芯片、FPGA现场可编程门阵列、0-1太阳信号源单元、模拟太阳信号源单元、数字太阳信号源单元和总电源处理电路组成，

正常指令控制计算机的控制信号输出端通过第一RS422芯片连接FPGA现场可编程门阵列的正常指令控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列的故障指令控制信号输入输出端通过第二RS422芯片连接故障指令控制计算机的故障信号输出输入端；FPGA现场可编程门阵列的0-1太阳控制信号输出端连接0-1太阳信号源单元的控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列的模拟太阳控制信号输出端连接模拟太阳信号源单元的控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列的数字太阳控制信号输出端连接数字太阳信号源单元的控制信号输入端；FPGA现场可编程门阵列的电源输入端连接总电源处理电路的电源输出端；

FPGA现场可编程门阵列由正常数据接收模块、正常数据先入先出寄存模块、正常数据处理模块、正常数据寄存模块、错误帧计数模块、错误数据个数发送模块、故障数据接收模块、故障数据先入先出寄存模块、故障数据处理模块、故障数据寄存模块、数据选择模块、0-1太阳数据寄存模块、模拟太阳数据寄存模块和数字太阳数据寄存模块组成，

正常数据接收模块的正常数据输入端是FPGA现场可编程门阵列的正常指令控制信号输入端，正常数据接收模块的正常数据输出端连接正常数据先入先出寄存模块的正常数据输入端，正常数据先入先出寄存模块的正常数据输出端连接正常数据处理模块的正常数据输入端，正常数据处理模块的正常数据输出端连接正常数据寄存模块的正常数据输入端，正常数据寄存模块的正常数据输出端连接数据选择模块的正常数据输入端；正常数据处理模块的错误数据输出端连接错误帧计数模块的错误数据输入端，错误帧计数模块的错误数据输出端连接错误数据个数发送模块的错误数据输入端，错误数据个数发送模块的错误数据输出端是FPGA现场可编程门阵列的故障指令控制信号输出端；故障数据接收模块的故障数据输入端是FPGA现场可编程门阵列的故障指令控制信号输入端，故障数据接收模块的故障数据输出端连接故障数据先入先出寄存模块的故障数据输入端，故障数据先入先出寄存模块的故障数据输出端连接故障数据处理模块的故障数据输入端，故障数据处理模块的故障数据输出端连接故障数据寄存模块的故障数据输入端，故障数据寄存模块的故障数据输出端连接数据选择模块的故障数据输入端，故障数据处理模块的开关数据输出端连接数据选择模块的开关数据输入端，故障数据处理模块的开关数据控制数据选择模块，有故障数据输入时使优先执行故障指令，数据选择模块的控制数据输出端连接0-1太阳数据寄存模块的控制数据输入端、模拟太阳数据寄存模块的控制数据输入端和数字太阳数据寄存模块的控制数据输入端；0-1太阳数据寄存模块的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列的0-1太阳控制信号输出端，模拟太阳数据寄存模块的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列的模拟太阳控制信号输出端，数字太阳数据寄存模块的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列的数字太阳控制信号输出端。

本发明的优点是：本发明直接模拟太阳敏感器的电信号输出，侧重于模拟太阳敏感器的电特性并采用数据驱动的方式，使得研制成本降低，控制更加灵活；其次，采用太阳敏感器模拟器后不必使用真实的太阳敏感器就能进行卫星的仿真和测试，可以缩短卫星研制周期；最后，本发明采用两路RS422通讯控制，能够同时模拟太阳敏感器的正常工作状态和故障工作状态，并且通过FPGA内部模块的逻辑控制确保数据选择模块能够优先控制执行故障指令控制计算机发出的故障指令，使整个系统具有很强的稳定性和通用性。

附图说明

图1是本发明的整体框图，图2是FPGA现场可编程门阵列的内部逻辑控制框图，图3是本发明在卫星地面闭环仿真测试设备中的关系框图，图4是0-1太阳信号源单元的结构框图，图5是模拟太阳信号源单元的结构框图，图6是数字太阳信号源单元的结构框图，图7是本发明中压控电流源电路的电路图，图8是实施方式七中执行正常工作指令的流程图，图9是实施方式七中执行故障指令的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图3来说明本实施方式，本实施方式由正常指令控制计算机1、故障指令控制计算机2、第一RS422芯片3、第二RS422芯片4、FPGA现场可编程门阵列5、0-1太阳信号源单元6、模拟太阳信号源单元7、数字太阳信号源单元8和总电源处理电路9组成，

正常指令控制计算机1的控制信号输出端通过第一RS422芯片3连接FPGA现场可编程门阵列5的正常指令控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列5的故障指令控制信号输入输出端通过第二RS422芯片4连接故障指令控制计算机2的故障信号输出输入端；FPGA现场可编程门阵列5的0-1太阳控制信号输出端连接0-1太阳信号源单元6的控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列5的模拟太阳控制信号输出端连接模拟太阳信号源单元7的控制信号输入端，FPGA现场可编程门阵列5的数字太阳控制信号输出端连接数字太阳信号源单元8的控制信号输入端；FPGA现场可编程门阵列5的电源输入端连接总电源处理电路9的电源输出端；

FPGA现场可编程门阵列5由正常数据接收模块5-1、正常数据先入先出寄存模块5-2、正常数据处理模块5-3、正常数据寄存模块5-4、错误帧计数模块5-5、错误数据个数发送模块5-6、故障数据接收模块5-7、故障数据先入先出寄存模块5-8、故障数据处理模块5-9、故障数据寄存模块5-10、数据选择模块5-11、0-1太阳数据寄存模块5-12、模拟太阳数据寄存模块5-13和数字太阳数据寄存模块5-14组成，

正常数据接收模块5-1的正常数据输入端是FPGA现场可编程门阵列5的正常指令控制信号输入端，正常数据接收模块5-1的正常数据输出端连接正常数据先入先出寄存模块5-2的正常数据输入端，正常数据先入先出寄存模块5-2的正常数据输出端连接正常数据处理模块5-3的正常数据输入端，正常数据处理模块5-3的正常数据输出端连接正常数据寄存模块5-4的正常数据输入端，正常数据寄存模块5-4的正常数据输出端连接数据选择模块5-11的正常数据输入端；正常数据处理模块5-3的错误数据输出端连接错误帧计数模块5-5的错误数据输入端，错误帧计数模块5-5的错误数据输出端连接错误数据个数发送模块5-6的错误数据输入端，错误数据个数发送模块5-6的错误数据输出端是FPGA现场可编程门阵列5的故障指令控制信号输出端；故障数据接收模块5-7的故障数据输入端是FPGA现场可编程门阵列5的故障指令控制信号输入端，故障数据接收模块5-7的故障数据输出端连接故障数据先入先出寄存模块5-8的故障数据输入端，故障数据先入先出寄存模块5-8的故障数据输出端连接故障数据处理模块5-9的故障数据输入端，故障数据处理模块5-9的故障数据输出端连接故障数据寄存模块5-10的故障数据输入端，故障数据寄存模块5-10的故障数据输出端连接数据选择模块5-11的故障数据输入端，故障数据处理模块5-9的开关数据输出端连接数据选择模块5-11的开关数据输入端，故障数据处理模块5-9的开关数据控制数据选择模块5-11，有故障数据输入时使优先执行故障指令，数据选择模块5-11的控制数据输出端连接0-1太阳数据寄存模块5-12的控制数据输入端、模拟太阳数据寄存模块5-13的控制数据输入端和数字太阳数据寄存模块5-14的控制数据输入端；0-1太阳数据寄存模块5-12的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列5的0-1太阳控制信号输出端，模拟太阳数据寄存模块5-13的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列5的模拟太阳控制信号输出端，数字太阳数据寄存模块5-14的控制数据输出端是FPGA现场可编程门阵列5的数字太阳控制信号输出端。

本实施方式中总电源处理电路9由供电电源和直流-直流隔离转换芯片DC-DC组成，由于供电电源是地面设备的，而最后输出的电流是到卫星上的，为了防止地面系统影响星上设备，所以加了直流-直流隔离转换芯片。

工作过程：首先，正常指令控制计算机1发送一组正常工作指令，这组指令包含三种太阳信号源的工作信息，例如若想让0-1太阳信号源单元6有信息输出的话，则这组指令中涉及到其它太阳信号源单元的指令为0就可以实现，正常工作指令从计算机发送出来采用差分格式，到了太阳信号源单元后通过第一RS422芯片3转换为TTL格式，然后指令从第一RS422芯片3出来进入到FPGA现场可编程门阵列5。

图2所示将FPGA内部的控制分成各个模块。左上角S_RS485是正常控制命令通道，正常指令控制计算机1发送的控制指令在经过第一RS422芯片3后就进入了这个通道。进入这个通道后，首先被送到正常数据接收模块5-1里面，它把一位一位的指令数据接收后放到正常数据先入先出寄存模块5-2中，然后正常数据处理模块5-3从正常数据先入先出寄存模块5-2中把指令数据一个字节一个字节的取出来判断，取完所有的字节后，判断最后一个字节的校验和是否正确，校验和正确，则可判断发送的这组指令为正确的，然后把控制三个太阳信号源单元的数据放到正常数据寄存模块5-4里面；如果校验和判断出这组指令不正确，则使错误帧计数模块5-5的计数加1，在卫星地面测试中需要统计正常工作指令的错误帧个数，此时这组指令不再继续向下传递。

故障指令控制计算机2发送故障指令是通过图2中右上角的G_RS485故障控制命令通道，再经过第二RS422芯片4送到FPGA现场可编程门阵列5内，故障指令进入FPGA现场可编程门阵列5后的信号流程和上述的正常控制指令流程相同，最后，控制三个太阳信号源单元的数据保存在故障数据寄存模块5-10内。

数据选择模块5-11的功能是分别接收正常数据寄存模块5-4和故障数据寄存模块5-10输出的数据，并对三种太阳信号源单元选择发送正常工作指令或故障指令，它通过故障数据处理模块5-9的开关数据输出对数据选择模块5-11进行控制，当有故障指令发送过来时，故障数据处理模块5-9的开关数据控制数据选择模块5-11优先执行故障指令，将故障数据发送给下面的三种太阳信号源单元，如果没有故障指令的话，就执行正常工作指令，它能够确保在正常工作指令的执行过程中，若有故障指令输入，也优先执行故障指令，当故障指令执行完毕，再返回执行正常工作指令。故障指令的设置是为了模拟太阳敏感器发生故障时的输出情况。正常工作通道上指令执行的同时，需计算正常通道上错误指令的个数；故障指令的执行有时间限制，当达到要求的时间后，会重新转回正常指令工作状态。正常通道上错误指令的个数通过故障指令通道传递给故障指令控制计算机2。

本发明中FPGA现场可编程门阵列5的主要功能是接收两个控制计算机的控制指令，做出相应判断，然后控制各个功能模块，使其产生相应的输出。当正常指令控制计算机1发送控制指令时，FPGA现场可编程门阵列5的接收模块接收指令并处理，但是如果此时故障指令控制计算机2也有故障指令发送出，则FPGA现场可编程门阵列5内部的数据选择模块5-11能够控制停止执行先前的正常指令转而执行现在的故障指令。具体如下：

在地面卫星闭环测试使用中，三种太阳信号源单元输出的电流信号都会传输给信号处理器，如图3所示，经过信号处理器之后的电流信号再转入到中心计算机内，然后由中心计算机将这些电流信号转换成角度从而获得卫星相对于太阳的方位。

具体实施方式二：下面结合图4和图7来说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述0-1太阳信号源单元6由第一电源处理电路6-1、电压转换芯片6-2、反向衰减电路6-3、五个第一继电器6-4和五路第一压控电流源电路6-5组成，

第一电源处理电路6-1的电源输出端连接电压转换芯片6-2的电源输入端，电压转换芯片6-2的电源输出端连接反向衰减电路6-3的电源输入端，反向衰减电路6-3的电源输出端连接五个第一继电器6-4的电源输入端，每个第一继电器6-4的电源输出端连接一路第一压控电流源电路6-5的电源输入端；五个第一继电器6-4的控制信号输入端连接FPGA现场可编程门阵列5的0-1太阳控制信号输出端。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

数据选择模块5-11发送的数据包含三种太阳信号源单元的数据，它会把数据相应的分配到三种太阳数据寄存模块中，每个数据寄存模块分别对应着FPGA的多个输出引脚，其中0-1太阳数据寄存模块5-12对应着5个FPGA的输出引脚，0-1太阳数据寄存模块5-12内的数据分别控制这5个引脚为高还是低的输出，即0-1太阳数据寄存模块5-12的控制信号最后转换为控制这5个引脚高低电平的数据发送出去。这5个引脚的控制信号再分别对五个第一继电器6-4进行控制，与FPGA的引脚输出为高电平对应的第一继电器6-4吸合，它使反向衰减电路6-3输出的电压加到相对应的第一压控电流源电路6-5上，使第一压控电流源电路6-5产生相应的电流输出，第一压控电流源电路6-5主要是输出开关电流，可用于粗略计算卫星的哪一个面受到了太阳的照射。

本实施方式中第一电源处理电路6-1的组成与实施方式一中总电源处理电路9的组成相同。

第一压控电流源电路6-5如图7所示，U_i为控制电压，I₀为输出电流，R_L为负载，U₀为输出电压或运算放大器A2的同相输入端电压，U₃为运算放大器A2的反相输入端电压，U₁为运算放大器A1的输出端电压，U₂为运算放大器A1的反相输入端电压。假设A1，A2为理想运放，其正负输入端输入电流为零，且电平相同。A2为电压跟随器，其正输入端的输入电流可以认为是零，电流全部输出到负载中，则有U₃＝U_O，

A1为比例放大电路，则有：$U_2=\frac{R_4}{R_3+R_4}·U_1,$

$\frac{U_2-U_3}{R_2}=\frac{U_i-U_2}{R_1},$

取R₁＝R₂＝ R₃＝R₄＝10k，由上述公式可得到：

U_i＝U₁-U_O

则：$I_o=\frac{U_1-U_o}{R_s}=\frac{U_i}{R_s},$

由此可以看出，电流的输出仅取决于控制电压U_i以及采样电阻R_s，而与负载无关，能够实现恒流输出。所以，通过所加的电压U_i和采样电阻R_s，理论上可以输出任何大小的电流。

具体实施方式三：下面结合图5来说明本实施方式，本实施方式与实施方式二的不同之处在于所述模拟太阳信号源单元7由数模转换芯片7-1和四路第二压控电流源电路7-2组成，

数模转换芯片7-1的数字信号输入端连接FPGA现场可编程门阵列5的模拟太阳控制信号输出端，数模转换芯片7-1的模拟信号输出端连接四路第二压控电流源电路7-2的电源输入端。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

模拟太阳信号源单元7与0-1太阳信号源单元6不同，模拟太阳信号源单元7要得到的是电流的连续输出。所以在第二压控电流源电路7-2的前端，采用数模转换芯片7-1。第二压控电流源电路7-2的实现方式与第一压控电流源电路6-5相同。模拟太阳信号源单元7的电流输出可以比0-1太阳信号源单元6的输出更加精确的计算出太阳照射卫星的角度。

具体实施方式四：下面结合图6来说明本实施方式，本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述数字太阳信号源单元8由第二电源处理电路8-1、第二继电器8-2和电流产生芯片8-3组成，

第二电源处理电路8-1的电源输出端连接第二继电器8-2的电源输入端，第二继电器8-2的电源输出端连接电流产生芯片8-3的电源输入端，第二继电器8-2的控制信号输入端连接FPGA现场可编程门阵列5的数字太阳控制信号输出端。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

数字太阳信号源单元8的输出电流能够精确计算出太阳照射卫星的角度。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同之处在于所述电流产生芯片8-3的型号为REF200。其它组成及连接关系与实施方式四相同。

本实施方式中数字太阳信号源单元8主要实现的8路是0/-100uA的开关输出。由于其输出电流较小且电流值固定，所以采用芯片REF200实现。电流源芯片REF200是美国TI公司的高精度电流源芯片，它能输出50uA、100uA、200uA等不同大小的电流。由第二电源处理电路8-1输出-15伏的电压，当第二继电器8-2吸合，REF200的一端接通-15V，只需将另一端接地，即可输出-100uA的电流，采用REF200可以使输出电流达到±10uA的精度要求。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式五的不同之处在于所述数模转换芯片7-1的型号为DAC7734。其它组成及连接关系与实施方式五相同。

本实施方式要求模拟太阳信号源单元7的输出电流为0至-100uA的连续输出，所以在第二压控电流源电路7-2的前端，采用高精度的DA芯片DAC7734，该芯片是16位的，能输出-10V至+10V的电压。由FPGA来控制其输出电压的大小。

具体实施方式七：下面结合图8和图9来说明本实施方式，本实施方式与实施方式二、三、四、五或六的不同之处在于所述电压转换芯片6-2的型号为REFO2。其它组成及连接关系与实施方式二、三、四、五或六相同。

本实施方式中0-1太阳信号源单元6需要产生5路0/-35mA的电流输出，精度要求±1mA，首先使第一电源处理电路6-1输出+15V的电压，经电压转换芯片6-2REFO2转换后输出+5V的电压，再经反向衰减电路6-3输出-2.5V的电压，当相应的FPGA的引脚为高电平，则控制相应的第一继电器6-4吸合，使-2.5V电压加到与其对应的第一压控电流源电路6-5上，然后产生相应的电流输出。采用REFO2电压转换芯片6-2能够满足电流精度的要求。

下面给出正常工作时FPGA现场可编程门阵列5中的具体逻辑设计：

正常工作时的控制指令是由正常指令控制计算机1给出的。该指令前两个字节为帧头字节；后面的字节是用来控制太阳信号源输出的数据，其中0-1太阳信号源和数字太阳信号源都是以0/1电流源形式输出的，在控制它们输出的字节中，相应的位如果是0表示电流不输出，如果是1表示电流输出。模拟太阳的输出是连续电流量，所以控制它们的输出的数据是每字节为无符号整数0至255，当量-100uA/256，最大输出-100uA电流。控制指令的最后一个字节是校验和，用来判断该字节正确与否。

正常工作时，如果接收到的指令正确，则取出与太阳信号源单元相关的这几个字节，并将相应位的值发送给执行模块，使其产生相应的输出。

FPGA现场可编程门阵列5收到正常工作指令后，先判断帧头字节是否正确，如果正确的话则接收字节并判断校验和，直至校验和正确，此时才算是真正的将一帧数据接收完全。接收指令后，根据协议取出相应的字节和字节里的相应的位并发送到各个功能模块上，使0-1太阳信号源单元6、模拟太阳信号源单元7和数字太阳信号源单元8产生相应的输出。

下面给出故障工作状态时FPGA现场可编程门阵列5中的具体逻辑设计：

故障工作指令是由故障指令控制计算机2给出的，指令长短不是固定的，故障工作指令的格式与正常工作指令大致相同，只是在故障工作指令中数据的前面有一个导引字，数据的后面有一个时间字节，导引字是用来作为地址检索用的，在故障指令协议中每个太阳信号源单元都有自己的导引字。当故障指令在总线上发出后，每个太阳信号源单元都要对指令进行全部接收，然后查找导引字，找到自己所对应的导引字后将其后面的相应参数截取下来，输出给各功能模块。在数据的后面加了一个字节用以表示故障执行时间。这个字节为无符号整数，数值在0至255之间，表示有多少个周期，每个周期为50ms。

故障指令与正常工作指令的不同之处在于，正常工作指令是在闭环仿真测试时，为了模拟卫星正常的工作状态而发出的指令，以0-1太阳信号源为例，在正常工作情况下，卫星只可能有一面或几面受太阳照射，所以正常工作指令中发给0-1太阳信号源的数据不可能全部是1，那样代表卫星的各个面都受到照射。而在故障模式情况下则有可能出现这种情况，所以故障指令则有可能发给0-1太阳信号源的数据全是1，用以模拟卫星出现故障时的工作情况。另外，故障指令中数据后面的时间字节则是模拟卫星出现故障的时间长度。