本發(fā)明涉及紅外敏感器的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種簡易的基于地球信號模擬的測試方法及測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

紅外地球敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的配套單機(jī)，在軌實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星相對于局地垂線的滾動、俯仰姿態(tài)信號的測量，用于衛(wèi)星初始入軌時(shí)對地球的捕獲及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)衛(wèi)星的姿態(tài)控制。紅外地球敏感器通過光學(xué)掃描系統(tǒng)對地球紅外地平圓進(jìn)行雙圓錐光學(xué)掃描，獲取地平輻射信號，經(jīng)熱敏探測器的光電轉(zhuǎn)換獲取地球方波信號。

目前在對紅外地球敏感器進(jìn)行產(chǎn)品測試時(shí)，通過小地球模擬器或大地球模擬器模擬衛(wèi)星在太空軌道運(yùn)行時(shí)看到的地球紅外圖像或相應(yīng)的輻射功率分布的變化，來獲取光路信號。然而，小地球模擬器需要進(jìn)行機(jī)械找零獲取地球零位，并進(jìn)行地球和太空的溫控，測試結(jié)束后需進(jìn)行地球模擬器自動回零控制。大地球模擬器需要配合雙軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行產(chǎn)品測試，大地球模擬器進(jìn)行溫度場控制，并需要與轉(zhuǎn)臺進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后模擬器和轉(zhuǎn)臺底座固定不動，測試過程轉(zhuǎn)臺需模擬衛(wèi)星位置變化進(jìn)行角度控制。因此，根據(jù)產(chǎn)品的測試方法，目前缺乏一種能夠高效、準(zhǔn)確進(jìn)行產(chǎn)品測試的簡易地球信號模擬方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種簡易的基于地球信號模擬的測試方法，通過提取特征點(diǎn)，采用電信號生成的模擬方式進(jìn)行產(chǎn)品測試，保證對雙圓錐掃描式紅外地球敏感器產(chǎn)品測試的高效、準(zhǔn)確。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個技術(shù)方案是提供一種基于地球信號模擬的測試方法，其包含：

建立衛(wèi)星動力學(xué)模型，運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)計(jì)算；

建立紅外地球敏感器的穿越角數(shù)學(xué)模型，運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)根據(jù)當(dāng)前的衛(wèi)星姿態(tài)計(jì)算獲得紅外地球敏感器的穿越角計(jì)算值，并輸出與穿越角計(jì)算值相應(yīng)的時(shí)間值；

簡易地球信號裝置接收運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)輸出的時(shí)間值，和從紅外地球敏感器提取的基準(zhǔn)脈沖及計(jì)數(shù)頻率信號，來生成地球模擬信號；

紅外地球敏感器對其接收的地球模擬信號進(jìn)行地球信號檢波與讀取，輸出穿越角信息；

由外部計(jì)算機(jī)接收紅外地球敏感器輸出的穿越角信息進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，獲取紅外地球敏感器的姿態(tài)測量值。

本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是提供一種基于地球信號模擬的測試系統(tǒng)，包含：紅外地球敏感器、運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)、簡易地球信號裝置、外部計(jì)算機(jī)；

其中，所述運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)根據(jù)當(dāng)前的衛(wèi)星姿態(tài)，來計(jì)算紅外地球敏感器的穿越角計(jì)算值，并輸出與穿越角計(jì)算值相應(yīng)的時(shí)間值；

所述簡易地球信號裝置接收運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)輸出的時(shí)間值，和從紅外地球敏感器提取的基準(zhǔn)脈沖及計(jì)數(shù)頻率信號，來生成地球模擬信號；

所述紅外地球敏感器對其接收的地球模擬信號，進(jìn)行地球信號檢波與讀取，并輸出穿越角信息；

所述外部計(jì)算機(jī)接收紅外地球敏感器輸出的穿越角信息進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，獲取紅外地球敏感器的姿態(tài)測量值。

本發(fā)明的又一個技術(shù)方案是提供一種地球信號模擬裝置，包含簡易地球信號裝置和與之信號連接的運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)及紅外地球敏感器。

在上述各方案中，所述運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)根據(jù)當(dāng)前的衛(wèi)星姿態(tài)，來計(jì)算紅外地球敏感器的穿越角計(jì)算值，包含：第一太空/地球穿越角的計(jì)算值Φ1、第二太空/地球穿越角的計(jì)算值Φ2，第一地球/太空穿越角的計(jì)算值Φ3、第二太空/地球穿越角的計(jì)算值Φ4；

所述簡易地球信號裝置以從紅外地球敏感器提取的基準(zhǔn)脈沖Φ₀為觸發(fā)信號，計(jì)數(shù)頻率信號Φ_r為時(shí)鐘信號，并根據(jù)運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)發(fā)送的時(shí)間值t1、t2、t3、t4，來生成一方波信號作為地球模擬信號發(fā)送給紅外地球敏感器；

所述方波信號從收到Φ₀起為低電平并開始計(jì)時(shí)，依次在計(jì)時(shí)達(dá)到t1時(shí)對應(yīng)上升沿有效的Φ1進(jìn)行高電平轉(zhuǎn)換，在計(jì)時(shí)達(dá)到t2時(shí)對應(yīng)下降沿有效的Φ2進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換，在計(jì)時(shí)達(dá)到t3時(shí)對應(yīng)上升沿有效的Φ3進(jìn)行高電平轉(zhuǎn)換，以及在計(jì)時(shí)達(dá)到t4時(shí)對應(yīng)下降沿有效的Φ4進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明提供的所述基于地球信號模擬的測試方法及測試系統(tǒng)，通過對紅外地球敏感器產(chǎn)品信號特征提取，采用電信號生成的模擬方法，同時(shí)考慮模擬信號的時(shí)效性、電接口特性及信號發(fā)生規(guī)律，來進(jìn)行信號生成。本發(fā)明可以極大簡化系統(tǒng)測試，對系統(tǒng)選用紅外地球敏感器的聯(lián)合測試具有重要作用。

本發(fā)明可以高效、簡易地實(shí)現(xiàn)紅外地球敏感器接入系統(tǒng)后的閉環(huán)測試，相比常規(guī)的光路測試，本發(fā)明極大地簡化了產(chǎn)品接入系統(tǒng)后的測試操作，同時(shí)能滿足產(chǎn)品的性能測試要求。

附圖說明

圖1是IRES光學(xué)系統(tǒng)掃描光路的示意圖；

圖2是地球/太空掃描軌跡的示意圖；

圖3是信號Φ₀的電氣及頻率信號特性示意圖；

圖4是信號Φ_r的電氣及頻率信號特性示意圖；

圖5是地球信號模擬原理的示意圖；

圖6是簡易地球信號模擬裝置的輸出信號示意圖；

圖7是產(chǎn)品測試的流程示意圖；

圖8是搭建的測試系統(tǒng)示意圖；

圖9是紅外地球敏感器姿態(tài)計(jì)算曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種基于地球信號模擬的測試方法，利用產(chǎn)品特性進(jìn)行信號發(fā)生模擬，用于雙圓錐掃描式紅外地球敏感器(簡稱IRES)性能測試。本發(fā)明中通過提取地球信號的引入位置，采用外部控制方式引入地球穿越信號，并輸入到紅外地球敏感器測試口，產(chǎn)品通過串口輸出數(shù)據(jù)至外部計(jì)算機(jī)，由外部計(jì)算機(jī)通過姿態(tài)計(jì)算來獲取產(chǎn)品的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。

雙圓錐掃描式紅外地球敏感器的工作原理，是基于對地球和空間背景之間的紅外輻射差的敏感，利用光學(xué)掃描電機(jī)和特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)對地球進(jìn)行雙圓錐光學(xué)掃描，在一個掃描周期內(nèi)可得到相對敏感器基準(zhǔn)脈沖Φ₀的4個地平穿越角：太空/地球穿越角(S/E)Φ₁、Φ₂，地球/太空穿越角(E/S)Φ₃、Φ₄，如圖1、圖2所示。產(chǎn)品內(nèi)部FPGA利用計(jì)數(shù)脈沖，對地平穿越點(diǎn)位置脈沖相對于基準(zhǔn)脈沖Φ₀的角位移進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲取衛(wèi)星當(dāng)前姿態(tài)的4個地平穿越角(太空/地球：Φ₁、Φ₃，地球/太空：Φ₂、Φ₄)。本發(fā)明即通過提取基準(zhǔn)脈沖Φ₀和計(jì)數(shù)頻率信號Φ_r特征信號，進(jìn)行信號模擬生成。

紅外地球敏感器測試口電接口特性如下：

Φ₀作為觸發(fā)信號，使用頻率為1Hz的0V或5V的電平信號，上升沿有效，信號Φ₀的電氣及頻率信號特性見圖3。計(jì)數(shù)頻率信號Φ_r是頻率為4096Hz的0V或5V的電平信號，上升沿有效，信號Φ_r的電氣及頻率信號特性見圖4。

根據(jù)產(chǎn)品的電接口特性，進(jìn)行外部輸入控制。通過設(shè)定符合產(chǎn)品電氣接口的地球信號模擬，產(chǎn)生Φ1、Φ3上升沿有效、Φ2、Φ4下降沿有效的方波信號，紅外地球敏感器就可以識別地球穿越信息，通過產(chǎn)品串口輸出，使外部計(jì)算機(jī)得以獲取并計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)的4個穿越角，從而進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)計(jì)算，地球信號模擬的原理見圖5(其中msk開關(guān)為控制地球穿越的開關(guān)信號，產(chǎn)品默認(rèn)值可通過外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置)。

基于簡易地球信號模擬裝置的特性分析，同時(shí)考慮信號發(fā)生的時(shí)效性，對簡易裝置的輸入信號約定為0V或4～7V電平信號。該裝置具備高低電平轉(zhuǎn)換能力，其中高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1μs，高低電平轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏移誤差≤1μs；考慮接口匹配性及電氣安全性，本裝置輸出阻抗要求≤50Ω；根據(jù)產(chǎn)品特性，要求本裝置輸出精度≤0.1ms。該裝置可識別紅外地球敏感器的Φ₀及Φ_r信號，在獲取Φ₀信號后，從Φ₀開始計(jì)時(shí)，通過外部計(jì)算機(jī)控制計(jì)算，依次獲取Φ1、Φ2、Φ3、Φ4四個時(shí)間點(diǎn)并進(jìn)行高低電平轉(zhuǎn)換。該簡易地球信號模擬裝置輸出的方波信號示意圖見圖6。

基于簡易地球信號模擬的測試方法流程見圖7，搭建的測試系統(tǒng)見圖8。其中的運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星運(yùn)動學(xué)計(jì)算，用來獲取衛(wèi)星滾動、俯仰姿態(tài)角信息，并建立模型進(jìn)行4個穿越角的計(jì)算并向紅外地球敏感器輸入；簡易地球信號模擬裝置接收紅外地球敏感器發(fā)送的Φ₀信號及運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)發(fā)送的4個時(shí)間值(t1:Φ1-Φ₀，t2:Φ2-Φ₀，t3:Φ3-Φ₀，t4:Φ4-Φ₀，精度±0.000015s)來輸出作為地球模擬信號的方波信號；紅外地球敏感器接收到地球模擬信號，進(jìn)行地球穿越信號計(jì)算獲得4個穿越角數(shù)據(jù)，并將獲得的穿越角數(shù)據(jù)發(fā)送給外部計(jì)算機(jī)，從而完成單次姿態(tài)計(jì)算。

參見圖7，本發(fā)明所述基于地球信號模擬的測試方法的一個具體示例中，包括如下步驟：

步驟一：建立衛(wèi)星動力學(xué)模型，進(jìn)行衛(wèi)星運(yùn)動學(xué)姿態(tài)計(jì)算；

步驟二：建立紅外地球敏感器穿越角數(shù)學(xué)模型，由當(dāng)前衛(wèi)星姿態(tài)解算紅外地球敏感器的穿越角；

步驟三：利用簡易地球信號裝置進(jìn)行信號模擬，并將模擬信號送至紅外地球敏感器；

步驟四：紅外地球敏感器接收簡易地球信號模擬裝置輸出的模擬信號，進(jìn)行地球信號檢波與讀取，獲取穿越角信息；

步驟五：利用搭建的測試系統(tǒng)，由外部計(jì)算機(jī)接收紅外地球敏感器的數(shù)據(jù)包來根據(jù)穿越角信息進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，從而獲取紅外地球敏感器姿態(tài)測量值。

S1、運(yùn)動學(xué)姿態(tài)信息計(jì)算

根據(jù)運(yùn)動學(xué)計(jì)算滾動角(R)、俯仰角(P)：

其中，qi(i＝1、2、3、4)為利用星敏感器數(shù)據(jù)獲取的衛(wèi)星姿態(tài)。

S2、穿越角計(jì)算數(shù)學(xué)模型的建立

進(jìn)行視場判斷：當(dāng)|R|≤36°且且時(shí)進(jìn)行穿越角計(jì)算，否則認(rèn)為地球信號不在視場內(nèi)無穿越角輸出，具體如下：

α_L＝24.5°是標(biāo)準(zhǔn)軌道夾角，根據(jù)衛(wèi)星軌道特征進(jìn)行設(shè)定；

α＝60°是半圓錐掃描角。

S3、運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)的計(jì)算

運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)計(jì)算4個時(shí)間值：t1＝Φ1/360×1(s)；t2＝Φ2/360×1(s)；t3＝Φ3/360×1(s)；t4＝Φ4/360×1(s)；并向簡易地球信號模擬裝置發(fā)送。

S4、簡易地球信號模擬裝置的信號發(fā)生

簡易地球信號模擬裝置接收運(yùn)動學(xué)計(jì)算控制機(jī)發(fā)送的4個時(shí)間值(t1:Φ1-Φ₀，t2:Φ2-Φ₀，t3:Φ3-Φ₀，t4:Φ4-Φ₀)，用字表示，精度0.000015s，并接收從紅外地球敏感器獲得的Φ₀為基準(zhǔn)觸發(fā)信號，Φ_r為時(shí)鐘信號，用來生成并輸出相應(yīng)的方波信號(見圖6)至紅外地球敏感器。

S5、紅外地球敏感器的穿越角輸出

外部計(jì)算機(jī)接收紅外地球敏感器發(fā)送的含穿越角信息的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)計(jì)算，完成某個姿態(tài)信息測量。

如圖9所示的姿態(tài)計(jì)算曲線,表明該簡易地球模擬裝置運(yùn)行穩(wěn)定，利用搭建的平臺可以極大簡化系統(tǒng)測試操作，提高測試效率。

綜上所述，本發(fā)明采用簡易、高效的信號模擬，通過動力學(xué)計(jì)算使紅外地球敏感器可以實(shí)時(shí)連續(xù)的獲取穿越角檢測，從而大大提過了產(chǎn)品測試，并簡化了系統(tǒng)測試。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。