專利名稱：航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)地面測(cè)試領(lǐng)域，涉及航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備。
背景技術(shù)：
航天光學(xué)遙感相機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“航天相機(jī)”)是衛(wèi)星和飛船上的關(guān)鍵有效載荷，為保證航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)能夠在軌依照各項(xiàng)功能需求圓滿完成拍照任務(wù)，需在地面對(duì)相機(jī)的模擬在軌飛行進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，包括指令調(diào)焦、指令拍照、依照實(shí)時(shí)姿態(tài)及軌道參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)偏流角調(diào)整和在軌軟件重注等測(cè)試，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示航天相機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遙測(cè)參數(shù)解析。航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱“航天相機(jī)模飛專檢”) 是用來(lái)模擬衛(wèi)星平臺(tái)電子學(xué)與航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)間在軌飛行時(shí)的“真實(shí)”數(shù)據(jù)流?？稍诘孛鏋楹教煜鄼C(jī)電子學(xué)系統(tǒng)提供所需的姿態(tài)及軌道數(shù)據(jù)，用于偏流角和相移補(bǔ)償計(jì)算和實(shí)時(shí)偏流角的調(diào)整。一個(gè)比較相近的技術(shù)是王棟和胡君在2010年第36卷9期《計(jì)算機(jī)工程》發(fā)表的 “空間光學(xué)遙感器控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試"P10 P13，該文章設(shè)計(jì)基于Windows系統(tǒng)的精確定時(shí)與多任務(wù)協(xié)調(diào)處理相結(jié)合的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)。采用FPGA控制的PCI設(shè)備出發(fā)計(jì)算機(jī)外部中斷的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確定時(shí)。按照由高到低的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，重新排列指令的發(fā)出、解析、存儲(chǔ)等任務(wù)的順序執(zhí)行。其思想是為被測(cè)試航天相機(jī)控制系統(tǒng)提供精確的指令序列。上述測(cè)試方法僅能針對(duì)航天相機(jī)控制指令進(jìn)行測(cè)試，無(wú)法提供并模擬相機(jī)在軌運(yùn)行全過(guò)程中衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)及軌道參數(shù)，無(wú)法滿足需要實(shí)時(shí)進(jìn)行像移補(bǔ)償和偏流角調(diào)整的現(xiàn)代高分辨航天相機(jī)測(cè)試需求，本發(fā)明可解決此問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以提高空間相機(jī)地面功能測(cè)試的真實(shí)性為目的，特設(shè)計(jì)一種能夠模擬平臺(tái)中心計(jì)算機(jī)及GPS在軌工作狀態(tài)的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，以使在整星綜合聯(lián)試之前模擬整星飛行狀態(tài)，并能提供硬件接口功能失效的模擬環(huán)境以考驗(yàn)航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的合理性及可靠性，提早暴露航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題。航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備包括平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器、平臺(tái)GPS模擬器和地面站遙測(cè)遙控終端模擬器；平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器與平臺(tái)GPS模擬器采用一體化共用機(jī)殼結(jié)構(gòu)組成模飛專檢電箱，所述模飛專檢電箱通過(guò)雙CAN總線接收地面站遙測(cè)遙控終端發(fā)送的參數(shù)和控制指令，通過(guò)雙CAN總線發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述模飛專檢電箱通過(guò)雙CAN總線接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)的遙感參數(shù)，并通過(guò)雙 CAN總線發(fā)送至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器；
所述平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源信息及控制指令信息，將信息轉(zhuǎn)換為星上數(shù)據(jù)格式后完成數(shù)據(jù)同步廣播幀的模擬，并實(shí)現(xiàn)模擬平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)將雙CAN總線數(shù)據(jù)指令幀發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)，同時(shí)平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器， 由地面站遙測(cè)遙控終端模擬器進(jìn)行解析并顯示；所述平臺(tái)GPS模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的軌道數(shù)據(jù)源信息，將該軌道數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為星上軌道數(shù)據(jù)格式后完成GPS的雙CAN總線軌道數(shù)據(jù)廣播幀的模擬， 并將秒脈沖信號(hào)發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述地面站遙測(cè)遙控終端模擬器向平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器提供姿態(tài)及姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)源，向平臺(tái)GPS模擬器提供STK軌道數(shù)據(jù)源，接收、解析并顯示平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)，同時(shí)向測(cè)試人員提供人機(jī)交互界面。航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備除完成原有航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)各硬件接口功能及性能指標(biāo)檢測(cè)之外，可完成航天相機(jī)在軌運(yùn)行的全過(guò)程模擬，完善了航天相機(jī)電子學(xué)的測(cè)試手段和測(cè)試項(xiàng)目，同時(shí)在航天相機(jī)電子學(xué)軟件測(cè)評(píng)過(guò)程中也能夠發(fā)揮重要作用；該裝置可模擬實(shí)時(shí)衛(wèi)星姿態(tài)及軌道數(shù)據(jù)，能夠覆蓋航天相機(jī)在軌運(yùn)行過(guò)程中的偏流角調(diào)整全部過(guò)程，還可通過(guò)地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送故障模擬指令。


圖1本發(fā)明航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備裝置圖。圖2本發(fā)明航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式由圖1所示，航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備包括平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器、平臺(tái)GPS模擬器和地面站遙測(cè)遙控終端模擬器；所述平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源信息及控制指令信息，將信息轉(zhuǎn)換為星上數(shù)據(jù)格式后完成數(shù)據(jù)同步廣播幀的模擬，并實(shí)現(xiàn)模擬平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)將雙CAN總線數(shù)據(jù)指令幀發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)，同時(shí)平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器，由地面站遙測(cè)遙控終端模擬器進(jìn)行解析并顯示；所述平臺(tái)GPS模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的軌道數(shù)據(jù)源信息，將該軌道數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為星上軌道數(shù)據(jù)格式后完成GPS的雙CAN總線軌道數(shù)據(jù)廣播幀的模擬，并將定時(shí)產(chǎn)生OC(Open Collector，集電極開(kāi)路)形式的秒脈沖信號(hào)發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述地面站遙測(cè)遙控終端模擬器向平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器提供姿態(tài)及姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)源，向平臺(tái)GPS模擬器提供STK軌道數(shù)據(jù)源，接收、解析并顯示平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)，同時(shí)向測(cè)試人員提供人機(jī)交互界面。平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器與平臺(tái)GPS模擬器采用一體化共用機(jī)殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙CAN 總線接收地面站遙測(cè)遙控終端發(fā)送的每秒一次的姿態(tài)及衛(wèi)星軌道參數(shù)以及各種航天相機(jī)控制指令，通過(guò)雙CAN總線發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述模飛專檢電箱通過(guò)雙CAN總線接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)的遙感參數(shù)，并通過(guò)雙CAN總線發(fā)送至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器。
平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器采用DSP TMS320F2812作為主控制器，該控制器經(jīng)過(guò) PLL (Phase Locked Loop，鎖相環(huán)路)倍頻后可工作在150MHz下，高速指令執(zhí)行速度可使 CAN總線工作至最短幀間隔狀態(tài)，同時(shí)，TMS320F2812芯片本身集成了一個(gè)完整的增強(qiáng)型 CAN控制器，稱之為eCAN，支持CAN總線硬件鏈路層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，即CAN2. OA和 CAN2. OB 協(xié)議。平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)采用處理器自帶CAN總線接口與地面站遙測(cè)遙控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線接口芯片采用外擴(kuò)SJA1000的方式外擴(kuò)2路CAN總線與相機(jī)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以模擬星上雙CAN總線數(shù)據(jù)傳輸。由于SJA1000為5V邏輯器件，而TMS320F2812 的外圍端口均為3. 3V邏輯，故需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里選用了雙8位電平轉(zhuǎn)換器件 UT54ACS164245。處理器與SJA1000的接口控制邏輯通過(guò)Xilinx (賽靈思，全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商)的FPGA實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)GPS模擬器硬件組成與平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器組成基本一致，在平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器的基礎(chǔ)上增加了 OC形式的秒脈沖接口。地面站遙測(cè)遙控終端模擬器由PC機(jī)外接CAN分析儀作為主體，采用VC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)遙控指令發(fā)送界面及遙測(cè)指令解析界面。地面站遙測(cè)遙控終端模擬器向平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器提供姿態(tài)及姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)源，向平臺(tái)GPS模擬器提供STK軌道數(shù)據(jù)源，接收、解析并顯示平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)，同時(shí)向測(cè)試人員提供人機(jī)交互界面。衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的提取采用STK軟件。根據(jù)不同衛(wèi)星的應(yīng)用需求，可獲得不同的軌道參數(shù)，其中包括軌道根數(shù)、軌道半長(zhǎng)軸、軌道高度(平均)、軌道傾角、軌道偏心率、降交點(diǎn)地方時(shí)、交點(diǎn)周期、每天運(yùn)行的圈數(shù)、回歸周期和相鄰軌跡間距(赤道)。此外，利用Matlab 引擎和STK聯(lián)立，從STK中提取WGS84 (WorId Geodetic System 1984，為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng))坐標(biāo)系下的速度矢量和位置矢量，星下點(diǎn)經(jīng)緯度以及慣性坐標(biāo)系下的速度矢量和位置矢量。衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)生成是采用模型仿真和離線數(shù)據(jù)讀入的方式，利用Matlab軟件 Simulink模塊搭建姿態(tài)仿真系統(tǒng)，構(gòu)建衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，選擇控制敏感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)并建立其傳遞函數(shù)關(guān)系。按照衛(wèi)星的姿態(tài)控制算法對(duì)該衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制， Matlab的仿真結(jié)果中所獲得存儲(chǔ)三軸姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)。所獲取的姿態(tài)及軌道參數(shù)以文件的形式供地面站遙測(cè)遙控終端模擬器的VC程序讀取并轉(zhuǎn)發(fā)到平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器后依照CAN總線通信協(xié)議雙CAN總線發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)，供相機(jī)控制器進(jìn)行像移速度矢量的計(jì)算，以調(diào)整CCD成像的行轉(zhuǎn)移時(shí)間及偏流角。由圖2所示，航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備軟件由平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器DSP程序、平臺(tái)GPS模擬器DSP程序和地面站遙測(cè)遙控終端控制顯示VC程序三部分組成。進(jìn)入程序，由地面站遙測(cè)遙控終端模擬器啟動(dòng)姿態(tài)和軌道的數(shù)據(jù)發(fā)送線程、控制指令轉(zhuǎn)發(fā)線程和遙測(cè)參數(shù)解析并顯示線程，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)線程；當(dāng)發(fā)送時(shí)間在發(fā)送周期內(nèi)時(shí)，打開(kāi)并讀取軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)文件后，將軌道數(shù)據(jù)文件和姿態(tài)數(shù)據(jù)文件打包并發(fā)送至相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)并顯示在外部界面；當(dāng)界面有按鈕事件時(shí)，判讀時(shí)間標(biāo)號(hào)，匹配指令內(nèi)容并生成執(zhí)行指令數(shù)據(jù)格式，控制并發(fā)送指令；當(dāng)接收到遙測(cè)參數(shù)時(shí)，界面顯示參數(shù)解析，打開(kāi)記錄文件，在內(nèi)容末端寫入遙測(cè)數(shù)據(jù)后關(guān)閉文件，程序結(jié)束。
權(quán)利要求
1.航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器、平臺(tái)GPS模擬器和地面站遙測(cè)遙控終端模擬器；平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器與平臺(tái)GPS模擬器采用一體化共用機(jī)殼結(jié)構(gòu)組成模飛專檢電箱，所述模飛專檢電箱通過(guò)CAN 總線接收地面站遙測(cè)遙控終端發(fā)送的參數(shù)和控制指令，通過(guò)CAN總線發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述模飛專檢電箱通過(guò)CAN總線接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)的遙感參數(shù)，并通過(guò)CAN總線發(fā)送至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器；所述平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源信息及控制指令信息，將信息轉(zhuǎn)換為星上數(shù)據(jù)格式后完成數(shù)據(jù)同步廣播幀的模擬，并實(shí)現(xiàn)模擬平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)將CAN總線數(shù)據(jù)指令幀發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)，同時(shí)平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器接收航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站遙測(cè)遙控終端模擬器，由地面站遙測(cè)遙控終端模擬器進(jìn)行解析并顯示；所述平臺(tái)GPS模擬器接收地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送的軌道數(shù)據(jù)源信息，將該軌道數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為星上軌道數(shù)據(jù)格式后完成GPS的CAN總線軌道數(shù)據(jù)廣播幀的模擬，并將秒脈沖信號(hào)發(fā)送至航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)；所述地面站遙測(cè)遙控終端模擬器向平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器提供姿態(tài)及姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)源，向平臺(tái)GPS模擬器提供STK軌道數(shù)據(jù)源，接收、解析并顯示平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)，同時(shí)向測(cè)試人員提供人機(jī)交互界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器采用DSP TMS320F2812作為主控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述TMS320F2812芯片本身集成了一個(gè)完整的增強(qiáng)型CAN控制器，支持CAN2. OA和 CAN2. OB 協(xié)議。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述CAN總線接口采用電壓為5V的SJA1000邏輯器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述平臺(tái)GPS模擬器采用集電極開(kāi)路形式的秒脈沖接口，定時(shí)產(chǎn)生集電極開(kāi)路形式的秒脈沖信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述地面站遙測(cè)遙控終端模擬器由PC機(jī)外接CAN分析儀作為主體，采用VC語(yǔ)言開(kāi)發(fā)遙控指令發(fā)送界面及遙測(cè)指令解析界面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備，其特征在于，所述航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備采用STK軟件提取飛行器軌道數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件按照飛行器的姿態(tài)控制算法對(duì)該飛行器姿態(tài)進(jìn)行控制獲得飛行器三軸姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明航天光學(xué)遙感相機(jī)模擬在軌飛行專用測(cè)試設(shè)備屬于航天光學(xué)遙感相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)地面測(cè)試領(lǐng)域，該裝置包括平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器，平臺(tái)GPS模擬器和地面站遙感遙控終端模擬器；所述平臺(tái)星務(wù)計(jì)算機(jī)模擬器與平臺(tái)GPS模擬器采用一體化共用機(jī)殼結(jié)構(gòu)，自帶CAN總線接口與地面站遙測(cè)遙控終端模擬器和航天相機(jī)電子學(xué)分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該裝置可完成航天相機(jī)在軌運(yùn)行的全過(guò)程模擬，完善了航天相機(jī)電子學(xué)的測(cè)試手段和測(cè)試項(xiàng)目，同時(shí)在航天相機(jī)電子學(xué)軟件測(cè)評(píng)過(guò)程中也能夠發(fā)揮重要作用；該裝置可模擬實(shí)時(shí)衛(wèi)星姿態(tài)及軌道數(shù)據(jù)，能夠覆蓋航天相機(jī)在軌運(yùn)行過(guò)程中的偏流角調(diào)整全部過(guò)程，還可通過(guò)地面站遙測(cè)遙控終端模擬器發(fā)送故障模擬指令。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102519437SQ20111040904
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者張劉, 徐偉, 徐拓奇, 樸永杰, 王紹舉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所