一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统的制作方法

本发明属于卫星总体设计领域，涉及一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统。

背景技术：

星载激光测距系统都需要根据卫星沿激光测距方向至地表的距离设置测量时间门限，以便于能够可靠的接收到回波信息。然而，卫星在轨工作期间并非完全在星下点工作，会随着测量任务改变卫星姿态，一般通过测摆实现；同时随着卫星的飞行，地表的形态也会发生变化。正是由于以上因素，会导致卫星沿激光测距方向至地表的距离发生改变。如果星载激光测距系统工作在固定的距离门限，将会使得距离门限需要设置较宽才能可靠的收到回波信息，因此下传的激光数据量较大，同时测距系统的硬件规模也随之增大。

目前距离门限的设置方式为固定距离门。该方式将卫星轨道高度、地表起伏以及卫星侧摆能力等因素全部考虑，统一设置为一个较宽的距离门限，从而使得星载激光测距系统能够正常工作。

但是，现有的这种激光测距系统距离门限设置方法存在以下问题：1)对测距系统硬件存储和运算能力要求相对较高—由于固定距离门限通常设置较宽，对硬件的存储能力要求较高，尤其是全波形测量体制和单光子测量体制的测距系统都需要硬件的运算能力提出较高的要求；2)无效激光测量数据多—因为距离门限较宽，在星上保留原始测量信息的情况下，需要将距离门限内所有的数据都下传才能保证数据不丢失。尤其是对于全波形测距体制和单光子测量体制的星载激光测距系统来说，较宽的距离门限会使得无效测量数据较多；3)测量易受云层干扰—距离门限设置较宽时，容易连同云层信息一起下传，尤其是云层较厚时，会对地表真实测距数据形成误判，加大用户解算和甄别有效信息的工作量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，实现了测量距离门限在轨随地表起伏和卫星姿态变化动态调整，能够减少下传数据量、降低测距系统硬件资源消耗、提高测量数据有效性。

本发明解决技术的方案是：

一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，包括信息输入模块、数据总线、距离门限计算模块和距离门限执行模块；其中，信息输入模块包括卫星导航接收机和卫星控制分系统；距离门限计算模块包括计算单元、地形数据库和激光指向角存储单元；距离门限执行模块包括星载激光测距单元和门限设置单元；

卫星导航接收机：接收导航信号，对导航信号进行解算，解算出卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻；将卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻通过数据总线发送至计算单元；

卫星控制分系统：测量卫星在惯性系下的姿态信息，并将卫星在惯性系下的姿态信息通过数据总线发送至计算单元；

地形数据库：预存全球高精度地形数据；并将全球高精度地形数据发送至计算单元；

激光指向角存储单元：预存星载激光波束的指向角；并将激光波束指向角发送至计算单元；

计算单元：接收卫星导航接收机传来的卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻；接收卫星控制分系统传来的卫星在惯性系下的姿态信息；接收地形数据库传来的全球高精度地形数据；接收激光指向角存储单元传来的激光波束指向角；计算出卫星沿激光指向至地表的距离l；并将卫星沿激光指向至地表的距离l通过数据总线发送至星载激光测距单元；

门限设置单元：设定距离下限l1和距离上限l2；并将距离下限l1和距离上限l2发送至星载激光测距单元；

星载激光测距单元：接收计算单元传来的卫星沿激光指向至地表的距离l；接收门限设置单元传来的距离下限l1和距离上限l2；根据卫星沿激光指向至地表的距离l、距离下限l1和距离上限l2制定卫星沿激光指向至地表的距离范围b；在卫星沿轨道过程中，实时保证卫星在范围b内，实现卫星对地表地形高精度测距。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，当卫星导航接收机为单模接收模式时，卫星导航接收机根据需求接收gps导航信号、glonass导航信号或北斗导航信号中的一种；当卫星导航接收机为多模接收模式时，卫星导航接收机根据需求接收gps导航信号、glonass导航信号或北斗导航信号中的多种。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述数据总线为1553b总线或can总线；数据总线为双向数据总线；实现对卫星时间数据、校时数据、utc整秒时刻数据的传输。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，卫星在惯性系下的姿态信息包括俯仰角偏航角θ、滚转角ψ。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述高精度地形数据中每个地球表面网格对应的地形信息均与地球的经纬度对应，用于卫星在轨根据激光指向位置调用。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述计算单元计算卫星沿激光指向至地表距离l的具体方法为：

s1、根据卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻，获得卫星的位置矢量

s2、根据卫星在惯性系下的姿态信息和激光波束指向角解算出激光在惯性系下的指向转换矩阵a；

s3、根据全球高精度地形数据解算出地表激光光斑矢量根据地表激光光斑矢量卫星的位置矢量和指向转换矩阵a，建立星地几何关系式，计算卫星沿激光指向至地表距离l。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述s3中，星地几何关系式为：

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述l1取值范围为小于等于15km；l2取值范围为小于等于15km。

在上述的一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，所述b的范围为[l-l1，l+l2]。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明能够使星载测距系统在飞行中适应不同地形的起伏特征，同时也能够适应由于卫星姿态变化(俯仰或侧摆)引起的地表激光光斑位置的变化；本发明采用的基于轨道和姿态信息的激光测距系统动态距离门限设置方法，能够动态精确计算卫星沿激光指向至地表的距离信息；

(2)本发明以该距离信息作为测距系统的距离门限基准，与传统的固定距离门限设置方法相比，能够极大程度的降低了测距系统的门限宽度，对测距系统硬件存储和运算能力要求相对较低。该方法尤其适用于多个角度、多个波束的星载激光测距系统；

(3)本发明能够精确设置星载测距系统距离门限的上、下限数值——本发明采用的门限设置方法，能够根据使用场景精确设置距离门限的上、下限数值，缩减无效测量数据，一方面能减轻地面数据处理的解算压力，另一方面也能够减小云层对地表真实测距数据引起的误判。

附图说明

图1为本发明距离门限系统示意图；

图2为本发明星地几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种星载激光测距系统动态距离门限设置系统，通过对激光测高仪在轨动态设置距离门限，使得激光测高仪工作在合理的测距区间，实现测量距离门限在轨动态调整。采用本发明提出的方法能够使得激光测距系统在轨适应不同地形的起伏特征，动态实时调整距离门限，提高数据的有效性，也能够节省系统的资源。

卫星在轨飞行过程中，沿激光指向对应的地表地形会随着经纬度的变化而发生改变，因此星载激光测距系统测量的实际距离也会随着变化。通常星载激光测距系统一般采用“飞行时间法”进行距离测量，因此激光测距系统的接收单元必须要使采样区间能够包含回波可能的返回时间区间才能可靠的接收到回波信息。如果采用区间设置太大，则对测距系统的硬件规模和星上处理资源提出较高的要求；如果设置太短则无法可靠接收到回波数据。本发明主要解决的问题是如何根据卫星轨道位置、姿态以及激光安装指向等信息在轨动态设置激光回波可能的采样区间。

相比较于现有的固定距离门限设置技术，提供了一种基于轨道和姿态信息的星载激光测距系统动态距离门限设置方法，实现了测量距离门限在轨随地表起伏和卫星姿态变化动态调整。本发明的使用场景如图2所示。该方法能够减少下传数据量、降低测距系统硬件资源消耗、提高测量数据有效性。

距离门限设置系统，如图1所示，具体包括信息输入模块、数据总线、距离门限计算模块和距离门限执行模块；其中，数据总线是整个距离门限设置系统的主要信息传输部分。数据总线为1553b总线或can总线；数据总线为双向数据总线；实现对卫星时间数据、校时数据、utc整秒时刻数据的传输。信息输入模块包括卫星导航接收机和卫星控制分系统；距离门限计算模块包括计算单元、地形数据库和激光指向角存储单元；距离门限执行模块包括星载激光测距单元和门限设置单元；。

卫星导航接收机：接收导航信号，对导航信号进行解算，解算出卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻；将卫星在wgs84坐标系下的pvt(位置、速度、时刻)通过数据总线发送至计算单元；当卫星导航接收机为单模接收模式时，卫星导航接收机根据需求接收gps导航信号、glonass导航信号或北斗(bd-2)导航信号中的一种；当卫星导航接收机为多模接收模式时，卫星导航接收机根据需求接收gps导航信号、glonass导航信号或北斗导航信号中的多种。

卫星控制分系统：测量卫星在惯性系下的姿态信息，卫星在惯性系下的姿态信息包括俯仰角偏航角θ、滚转角ψ。并将卫星在惯性系下的姿态信息通过数据总线发送至计算单元。

地形数据库：预存全球高精度地形数据；并将全球高精度地形数据发送至计算单元；高精度地形数据中每个地球表面网格对应的地形信息均与地球的经纬度对应，用于卫星在轨根据激光指向位置调用。

激光指向角存储单元：预存星载激光波束的指向角；并将激光波束指向角发送至计算单元；

计算单元：接收卫星导航接收机传来的卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻；接收卫星控制分系统传来的卫星在惯性系下的姿态信息；接收地形数据库传来的全球高精度地形数据；接收激光指向角存储单元传来的激光波束指向角；计算出卫星沿激光指向至地表的距离l；并将卫星沿激光指向至地表的距离l通过数据总线发送至星载激光测距单元；计算卫星沿激光指向至地表距离l的具体方法为：

s1、根据卫星在wgs84坐标系下的位置、速度、时刻，获得卫星的位置矢量

s2、根据卫星在惯性系下的姿态信息和激光波束指向角解算出激光在惯性系下的指向转换矩阵a；

s3、根据全球高精度地形数据解算出地表激光光斑矢量根据地表激光光斑矢量卫星的位置矢量和指向转换矩阵a，建立星地几何关系式，如图2所示，计算卫星沿激光指向至地表距离l。星地几何关系式为：

门限设置单元：设定距离下限l1和距离上限l2；并将距离下限l1和距离上限l2发送至星载激光测距单元；l1取值范围为小于等于15km；l2取值范围为小于等于15km。

星载激光测距单元：接收计算单元传来的卫星沿激光指向至地表的距离l；接收门限设置单元传来的距离下限l1和距离上限l2；根据卫星沿激光指向至地表的距离l、距离下限l1和距离上限l2制定卫星沿激光指向至地表的距离范围b；b的范围为[l-l1，l+l2]。在卫星沿轨道过程中，实时保证卫星在范围b内，实现卫星对地表地形高精度测距。距离下限l1和距离上限l2通过数据总线传输的方式传递给星载激光测距单元。该上、下限的值可以根据需要在轨进行调整，每个测量周期内该上下限值保持不变。最终星载激光测距单元将[l-l1～l+l2]作为距离门限并对该范围内的激光回波信号进行数字化采集。其中距离门的下限l1和上限l2由数据总线传递给星载激光测距单元，在轨使用期间可以根据需要在开机前通过星务指令上注并修改。

各部分的主要功能：

地形数据库：通过预存的方式存储在固态存储器中，该数据库为全球高程数据库或高精度地形数据库，每个地球表面网格对应的地形信息都与地球的经纬度相对应，便于卫星在轨根据激光指向位置调用。

激光指向角存储单元：通过预存的方式存储在其对应的固态存储器中。如果星载激光测距系统的激光为多个波束，可以根据使用的需要对每个波束的指向角进行存储或分成若干组进行存储。

计算单元：通过数据总线提供的卫星在wgs84坐标系下的pvt(位置、速度、时刻)信息、卫星在惯性系下的姿态信息(φ、θ、ψ)以及高精度地形数据和激光在本体系下指向角等信息综合计算出卫星沿激光指向至地表的距离l。需要说明的是，距离l的数量与激光的波束个数和分组情况相关。

本发明能够使星载测距系统在飞行中适应不同地形的起伏特征，同时也能够适应由于卫星姿态变化(俯仰或侧摆)引起的地表激光光斑位置的变化——本发明采用的基于轨道和姿态信息的激光测距系统动态距离门限设置方法，能够动态精确计算卫星沿激光指向至地表的距离信息。以该距离信息作为测距系统的距离门限基准，与传统的固定距离门限设置方法相比，能够极大程度的降低了测距系统的门限宽度，对测距系统硬件存储和运算能力要求相对较低。该方法尤其适用于多个角度、多个波束的星载激光测距系统。此外本发明能够精确设置星载测距系统距离门限的上、下限数值——本发明采用的门限设置方法，能够根据使用场景精确设置距离门限的上、下限数值，缩减无效测量数据，一方面能减轻地面数据处理的解算压力，另一方面也能够减小云层对地表真实测距数据引起的误判。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。