一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘制造技术

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。本发明专利技术实现了一种小体积、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的特点在于(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为本专利技术的结构组成示意图；图2为本专利技术的天文信息跟随、放大电路；图3为本专利技术的信号采集及预处理子系统结构示意图；图4为本专利技术的综合处理子系统结构示意图；图5为本专利技术的总体信号流程图；图6为本专利技术的信号采集及预处理子系统电源电路；图7为本专利技术的综合处理子系统电源电路；图8为本专利技术的综合处理子系统的时钟电路；图9为本专利技术的综合处理子系统串口扩展模块的电路图；图10为本专利技术的综合处理子系统电平转换接口电路；图11为本专利技术的基于最优REQUEST算法和UKF滤波的惯性恒星罗盘组合定姿方法流程图。具体实施例方式如图1所示，本专利技术由敏感子系统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陀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘，其特征在于：包括敏感子系统（１）、信号采集及预处理子系统（２）、综合处理子系统（３），其中敏感子系统（１）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（２）；信号采集及预处理子系统（２）控制敏感子系统（１）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（３）；综合处理子系统（３）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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，全伟，王科，徐帆，杨胜，钟慧敏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]