[发明专利]一种高精度姿态/轨道一体化测量装置

说明书

技术领域

本发明属于空间飞行器高精度姿态/轨道测量与控制技术领域，尤其是一种高精度姿态/轨道一体化测量装置。

背景技术

姿态/轨道确定系统是航天器关键的分系统之一，其任务就是按照飞行计划的要求，实现航天器在各个飞行阶段的姿态/轨道测量，进而实现姿态/轨道控制。随着航天技术的发展，特别是微小卫星技术的蓬勃发展，对卫星姿态/轨道确定系统的精度、重量和成本等方面提出了更高的要求。

GPS接收机是航天器上普遍采用的轨道测量装置，太阳敏感器、星敏感器、陀螺等姿态敏感器是航天器经常配置的高精度姿态测量装置。传统方法通常利用分立的轨道测量装置和姿态测量装置，分别采集处理航天器的轨道参数信息和姿态参数信息，最后通过星上计算机进行融合解算。这种分而治之的测量方式和装置表现出很大的局限性，不利于星上敏感器共用和轨道姿态信息融合，也不利于轨道姿态确定精度的提高。而且增加了航天器的体积、重量、功耗、成本等。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高精度姿态/轨道一体化测量装置，体积小、重量轻、功耗小、成本低，适用于微小航天器高精度姿态/轨道测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高精度姿态/轨道一体化测量装置，包括：

敏感器子系统1，实现对航天器的位置、速度、时间、惯性姿态、惯性角速率信息的采集，采集的信号为数字信号，以串行方式输出；

通信控制子系统2，接收敏感器子系统1输出的数字信号，并将其组帧为并行信号输出；

姿态/轨道解算与信息融合子系统3，接收通信控制子系统2输出的并行信号，并进行基于UDEKF轨道确定算法和基于SRSSUKF姿态确定算法，用姿态/轨道信息优化融合方法进行综合计算与处理，得到完整的姿态/轨道测量信息，供航天器使用。

其中，所述的敏感器子系统1包括：

APS CMOS星敏感器11，实现对恒星星光的敏感与处理，将计算获得的姿态四元数信息以数字信号的形式输入到通信控制子系统2；

MEMS陀螺12，敏感三个互相垂直方向上的角速率信息，将计算获得的角速率信息以数字信号的形式输入到通信控制子系统2；

微型GPS接收机13，采集航天器的三维位置信息和速度信息，以数字信号的形式输入到通信控制子系统2。

所述的通信控制子系统2包括：

异步通信控制芯片21；

逻辑控制芯片22，与异步通信控制芯片21连接并配合用于将敏感器子系统1输入的串行数字信号按照协议规定组帧为并行信号数据，并输入到姿态/轨道解算与信息融合子系统3；

电平转换电路23，用于通信控制子系统2与后续电路的电平匹配；

电源模块24，为通信控制子系统2提供电源；

时钟电路25，为异步通信控制芯片21提供时钟信号。

异步通信控制芯片21为TL16C554A，逻辑控制芯片22为EPM7128的CPLD或者为FPGA芯片。

其中，所述的按照协议规定组帧为并行信号数据是指，异步通信控制芯片21将从APS CMOS星敏感器11、MEMS陀螺12和微型GPS接收机13接收到的三种不同数据刷新率的串行数据组帧成为一种数据刷新率高于APS CMOS星敏感器11和微型GPS接收机13，等于或低于MEMS陀螺12的姿态轨道测量数据包，按照并行方式输入姿态/轨道解算与信息融合子系统3。

所述的姿态/轨道解算与信息融合子系统3包括：

DSP芯片31，接收通信控制子系统2输出的并行信号，并完成基于UDEKF算法的轨道参数解算、基于SRSSUKF算法的姿态参数解算以及用姿态/轨道信息优化融合方法进行综合计算与处理；

电源模块32，为DSP芯片31的内核和外围电路供电；

SDRAM33，用于存放DSP处理计算的中间和最终数据；

FLASH35，用于存放姿态/轨道解算算法和信息优化融合源程序、通信器件初始化及通信方式设置任务；

时钟电路36，为DSP芯片31提供时钟信号。

DSP芯片31也可以用高运算性能的ARM芯片代替。

所述姿态/轨道信息优化融合方法是指DSP芯片31利用基于UDEKF算法解算出的轨道参数、基于SRSSUKF算法解算出的姿态参数进行敏感器故障状态判断和惯性系至轨道系的坐标变换，计算获得航天器在轨道坐标系下的轨道和姿态信息。