专利名称：基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，特别是一种基于CAN总线的卫星姿态和轨道控制系统。
背景技术：
目前卫星姿态和轨道控制实施方法均采用基于姿控中心计算机管理的集中控制方式，图1给出一个典型小卫星姿态和轨道控制系统组成。如图1所示，该系统以控制计算机为中心，用各种电缆与外围接口电路箱、各种传感器、执行机构分别连接，形成复杂的各自独立的“箱体-电缆”结构。这种结构不仅制造复杂，重量和功耗较大，还带来在轨突发事变应对不灵活和降低卫星生存能力等困难，不适于小卫星的进一步应用。
随着控制和信息技术的发展，现场总线在20世纪80年代中期发展起来，伴随的现场控制技术成为21世纪自动控制领域关注的一个焦点，正在形成现场控制系统(Field Control System，FCS)。现场总线不仅是一个网络，而且是一个开放式控制系统。FCS的优点有望解决目前小卫星运行中许多自动化问题。在航天领域中如何实现FCS，在国内还没有开始，在国外还少见报道。卫星上直接采用FCS，主要存在的问题(1)如何将现有卫星姿态和轨道控制系统转变成FCS；(2)如何构造星载FCS的敏感器和执行机构等部件，如何将现有星载敏感器和执行机构等部件变成适合FCS的部件；(3)如何构造星载FCS的控制回路，如何在卫星上实现FCS控制机理；(4)如何将现有卫星姿态和轨道控制系统各种控制模式及其切换机制转变成适应FCS的方法；(5)如何制定星上网的协议，特别是制定应用层协议，适合卫星应用的高可靠、资源受限等特点的应用层协议，目前已有的各行业本身的应用层协议不能完全适于卫星的应用；(6)从卫星可靠性和安全性的要求，以及卫星不可返修的特点出发，如何设计FCS等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供了一种基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，该系统解决了采用现场总线控制系统(FCS)的卫星姿态和轨道控制实施问题，提高了卫星姿态和轨道控制的可靠性、实时性、安全性，降低了卫星姿态和轨道控制系统的复杂程度和困难度。
本发明的技术解决方案一种基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特点在于包括星上网，星务调度单元，带有微处理器的智能敏感器部件和带有微处理器的智能执行机构，其中带有微处理器的智能敏感器部件和带有微处理器的智能执行部件可以根据需要进行增减。星务调度单元给某个指定的带有微处理器的智能敏感器部件通过星上网发送获取信息调令，该带有微处理器的智能敏感器部件获得调令后将其敏感的信息发送到星上网上从而使得星务调度单元获得该信息，通过该种调令，获得到各个带有微处理器的智能敏感器的测量信息后，星务调度单元经过控制算法计算，通过星上网发送控制命令给某个指定的带有微处理器的智能执行部件，带有微处理器的智能执行部件获得命令后执行从而使得星体动作，达到控制目的。
所述的星上网为完全独立的双冗余CAN(Controller Area Network)总线构成，这样在物理上保证一条总线故障时，另一条总线仍可进行通信，确保了姿轨控回路的畅通、安全、可靠。
所述的带有微处理器的智能敏感器包括传感器探头或光学部分、信号调理电路、管理单元MEU(Manage Execute Unit)及总线接口，传感器探头或光学部分敏感被测对象信号将其变成模拟信号，通过信号调理电路将被测到的模拟信号进行滤波、积分放大后，输出至管理单元MEU进行模数转换、数字信号处理，再通过总线接口将数据传输至星上网；此外，管理单元MEU可以通过指令对信号调理电路和传感器探头进行指令控制、参数设置、数据校正和自检测维护等。
所述的带有微处理器的智能执行部件包括执行机构、驱动电路、管理单元MEU和总线接口，总线接口获得来自星上网的控制指令，送至管理单元MEU，管理单元MEU对接收到的控制指令进行判读，解数据包，然后通过驱动电路驱动执机构动作。此外，管理MEU还具有自检维护功能。
本发明与现有技术相比的优点在于(1))本发明由于在卫星姿态敏感器和执行机构中，嵌入专用微控制器，使其形成智能部件，作为星上网的通讯节点，并进入姿态和轨道控制回路，承担卫星姿态和轨道控制过程中相应的工作，共同实现卫星姿态和轨道控制功能，因此，简化了卫星姿态控制系统的复杂性，降低了卫星姿态控制系统的风险，提高了卫星姿态和轨道控制的可靠性、实时性和安全性。
(2)姿态控制和轨道控制回路使用星上网实现，勿需另外建立其专用控制回路，减少星上电缆的构建复杂程度，并有利于构建形成多种控制回路，供控制应用中选择。
(3)星上网方便姿态和轨道控制的硬件和软资源共享，容易实现在轨重构和有限度的在轨修复功能；(4)卫星上网为完全独立的双冗余总线，这样在物理上保证一条总线故障时，另一条总线仍可进行通信，确保了姿轨控回路的畅通、安全、可靠。
(5)用星上网管理实现姿轨控模式切换和多种控制回路选择，灵活方便，减轻姿轨控回路硬、软件复杂程度；(6))借助星上网公共信息通路，广播发布，直接转送，避免控制信息必须经姿控中心计算机转发，缩短控制过程延时时间，有利于闭环控制过程的稳定性；(7)利用星上网的互联性和互操作，容易实现对姿轨控回路的在轨测试和卫星姿轨控的内建仿真工作，方便卫星生产和开发。
图1为传统卫星姿态和轨道控制系统的组成示意图；
图2为本发明的组成示意图；图3为本发明的在轨控制过程示意图；图4为本发明的智能传感器框图；图5为本发明的智能传感器中的传感器探头为磁强计时的结构示意图；图6为本发明的智能传感器为光纤陀螺的结构示意图；图7为本发明的智能执行机构框图；图8为本发明的推进IEM的框图；图9为本发明的管理单元MEU的结构框图；图10为本发明的星务调度单元的功能框图；图11为本发明的星务调度单元轨道任务的流程图；图12为本发明的星务调度单元姿态滤波任务的流程图；图13为本发明的星务调度单元姿态控制任务的流程图；图14为本发明的星务调度单元星务调度任务的流程图。
具体实施例方式
如图2、3所示，本发明包括星务调度单元、CAN总线星上网、带有微处理器的智能敏感器部件及带有微处理器的执行部件，其中带有微处理器的智能敏感器部件包括光纤陀螺IEM、太阳敏感器IEM、红外地平IEM、地磁场测姿IEM、星相机IEM，上述这些智能敏感器部件可以根据需要进行增减；带有微处理器的智能执行部件包括动量轮IEM、三轴磁力矩器IEM、推进器IEM等，上述的智能执行机构可以根据需要进行增减。IEM为集成电子模块(IntegratedElectronics Module)的缩写。
如图2、3所示，本发明的控制过程星务调度单元给某个指定的带有微处理器的智能敏感器部件通过星上网发送获取信息调令，该带有微处理器的智能敏感器部件获得调令后将其敏感的信息发送到星上网上从而使得星务调度单元获得该信息，通过该种调令，获得到各个带有微处理器的智能敏感器的测量信息后，调度单元经过控制算法计算，通过星上网发送控制命令给某个指定的带有微处理器的智能执行部件，带有微处理器的智能执行部件获得命令后执行从而使得星体动作，达到控制目的。
如图4所示，带有微处理器的智能敏感器包括传感器探头或光学部分、信号调理电路、管理单元MEU及总线接口，传感器探头或光学部分敏感被测对象信号将其变成模拟信号，通过信号调理电路将被测到的模拟信号进行滤波、积分大后，输出至管理单元MEU进行模数转换、数字信号处理，再通过总线接口将数据传输至星上网；此外，管理单元MEU可以通过指令对信号调理电路和传感器探头进行指令控制、参数设置、数据校正和自检测维护等。
另外，智能敏感器还具有代理模块，在星务调度单元异常情况下，在星务调度单元异常情况下，管理单元MEU启动代理模块，由代理模块替代星务调度单元完成控制律计算和控制调度功能。代理模块与星务调度单元的调度程序基本相同。
传感器探头为光纤陀螺、磁强计、太阳敏感器、地球敏感器等，光学部分为相机等。传统的星敏感器、地球敏感器、太阳敏感器、光纤陀螺和星相机都是由传感器探头或光学部分加上信号调理电路组成，因此根据各个敏感器(如光纤陀螺、磁强计、太阳敏感器及其他敏感器)头部及信号调理电路均是现有技术，本发明只是加入了管理单元MEU及总线接口，形成智能通用接口的智能传感器，总线接口为现场总线接口芯片，如82C250等。
如图5所示，当上述的传感器探头为磁强计时，带有微处理器的智能敏感器包括磁强计探头、信号调理电路、管理单元MEU、地磁场知识库及现场总线接口，磁强计探头被测对象信号将其变成模拟信号；信号调理电路将被测到的模拟信号进行滤波、积分放大；然后管理单元MEU进行模数转换、数字信号处理获得被测地磁场数据，再将被测地磁场数据与查表获得地磁场知识库的当地地磁场数据进行对比，由两者地磁场强度差进行坐标变换得到卫星的姿态偏差；通过现场总线接口将卫星的姿态偏差根据调令发送到星上网；此外，管理单元MEU可以通过指令对信号调理电路和磁强计探头进行指令控制、参数设置、数据校正和自检维护。其中的地磁场知识库可以事先通过通常的方法标定，存入管理单元MEU中，现场总线接口为现场总线接口芯片，如82C250等。
如图6所示，当上述的传感器探头为光纤陀螺时，带有微处理器的智能敏感器包括光纤陀螺光路及其测量电路部分、信号调理电路、管理单元MEU、参数校正、角度预估和现场总线接口，光纤陀螺光路及其测量电路部分通过光源发出的光在光纤环路运动，当陀螺处于一个运动状态下时，使得两个相对运动的两束光的驻波相位不同，通过光路相位检测器可以检测出来，将在检测到的信号通过信号调理电路将该信号进行滤波、积分放大；然后管理单元MEU进行模数转换，获得陀螺敏感到的姿态角信息；通过参数校正模块对陀螺零漂稳定性和随机漂游等综合分析，对测量到的姿态角信息进行校正，获得相对较准的姿态角速度；通过角度预估模块，对姿态角速度进行积分，获得姿态角度。此外，管理单元MEU可以通过指令对信号调理电路和光纤陀螺光路及其测量电路部分进行指令控制。现场总线接口为现场总线接口芯片，如82C250等。
如图7所示，带有微处理器的智能执行部件包括执行机构、驱动电路、管理单元MEU和总线接口，总线接口获得来自星上网的控制指令，送至管理单元MEU，管理单元MEU对接收到的控制指令进行判读，解数据包，然后通过驱动电路驱动执机构动作。执行机构包括磁力矩器、喷嘴(气源阀门)及动量轮等。
另外，智能执行部件还具有代理模块，在星务调度单元异常情况下，在星务调度单元异常情况下，管理单元MEU启动代理模块，由代理模块替代星务调度单元完成控制律计算和控制调度功能。代理模块与星务调度单元的调度程序基本相同。
如图8所示，当上述的执行机构为喷嘴时，推进器IEM结构框图包括推进执行机构、驱动电路、管理单元MEU、代理模块及总线接口，总线接口获得来自星上网的控制指令，送至管理单元MEU，管理单元MEU对接收到的控制指令进行判读，解数据包，然后通过驱动电路驱动执机构动作。在星务调度单元异常情况下，推进器的调度单元启动代理模块，由代理模块可以替代星务调度单元的控制律计算和控制调度等功能。现场总线接口为现场总线接口芯片，如82C250等。代理模块与星务调度单元的调度程序基本相同。
如图9所示，管理单元MEU包括微处理器、实时多任务操作系统、通用数字接口(GPIO)、多通道模数转换器(12位AD)、数模转换器(10位DA)、双路CAN总线控制器即CAN总线控制器A和CAN总线控制器B、程序存储器(64k字节)、数据存储器(4k字节)、外部存储器(2M字节)、边界扫描口(JTAG)等。CAN总线控制器负责对接收到的总线数据进行站地址识别、数据解帧、滤波，发送总线数据的组帧等；管理单元从星上网来的调令，通过通用数字接口(GPIO)或数模转换器(DA)控制智能传感器或智能执行机构动作，通过通用数字接口(GPIO)或模数转换器(AD)获取智能传感器和智能执行部件的信息和状态回送星务调度单元。外部存储器用于存储数据库、扩充星上存储能力和加快星上运行速度，管理单元利用通用边界扫描接口(JTAG)进行软硬件调试，实现在线程序修改。管理单元MEU通过实时多任务操作系统和管理单元微处理器及外围接口紧密结合，实现一个通用化的应用环境，为实现了智能部件的网络化、智能化。管理执行单元MEU作为传感器和执行机构的通用接口，实现基于星上网的总线接口和姿态控制。
如图10所示，星务调度单元采用实时多任务操作系统进行设计，其中包括系统软件和应用软件。其中系统软件又包括中断服务程序和操作系统。中断服务程序包括CAN总线中断、时间片中断等中断服务程序；实时多任务操作系统提供多任务管理、时间管理、信号量管理、内存管理等功能；应用软件包括四个任务轨道计算任务，姿态控制任务，姿态滤波任务和总线调度任务；总线调度任务通过星务调度单元发送调令到星上网，从星上网上获取各个星上设备的数据，在轨道任务和姿态滤波任务应用这些数据进行轨道计算和滤波处理，然后将处理后的姿态信息给姿态控制任务，姿态控制任务根据控制算法进行计算，然后将计算出的控制数据传送到星上网。星上网上的对应的执行部件接收到控制数据后按要求进行控制。
如图11所示，轨道计算任务的流程是将获得初始轨道数据，然后根据某个时间进行推算该时刻轨道的轨道参数，然后再计算该时刻的短周期的轨道摄动量；第三步再进行精密轨道计算，从而获得精密轨道数据，最后通过精密轨道数据算出卫星的位置和速度。该任务在每个控制周期都进行上述的计算步骤。
如图12所示，姿态滤波任务的流程是通过轨道信息获得卫星速度和位置矢量，然后结合敏感器的姿态信号，进行卫星姿态滤波和双矢量定姿工作，获得最终的姿态信息。该任务在每个控制周期都进行上述的计算步骤。
如图13所示，姿态控制任务的流程是获得卫星的最终姿态信息，然后根据控制算法(包括PID控制控制动量轮和八分区控制推进等算法)计算出控制信号，然后通过星上网发送到执行部件执行。该任务在每个控制周期都进行上述的计算步骤。
如图14所示，总线调度任务的流程就是通过调令获得卫星的姿态信息、轨道信息及其它信息，知道需要获得的姿态信息已经足够，从而获得原始的姿态和轨道信息。该任务在每个控制周期都进行上述的步骤。
权利要求
1.一种基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于包括星上网、星务调度单元、带有微处理器的智能敏感器部件和带有微处理器的智能执行部件，其中带有微处理器的智能敏感器部件和智能执行部件根据需要进行增减，星务调度单元给某个指定的带有微处理器的智能敏感器部件通过星上网发送获取信息调令，该带有微处理器的智能敏感器部件获得调令后将其敏感的信息发送到星上网上从而使得星务调度单元获得该信息，通过该种调令，获得到各个带有微处理器的智能敏感器的测量信息后，星务调度单元进行控制律计算，通过星上网发送控制命令给某个指定的带有微处理器的智能执行部件，带有微处理器的智能执行部件获得命令后执行从而使得星体动作，达到控制调度的目的。
2.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的星上网为完全独立的双冗余CAN总线构成。
3.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的带有微处理器的智能敏感器包括传感器探头或光学部分、信号调理电路、管理单元MEU及总线接口，传感器探头或光学部分敏感被测对象信号将其变成模拟信号，通过信号调理电路将被测到的模拟信号进行滤波、积分放大后，输出至管理单元MEU进行模数转换、数字信号处理，再通过总线接口将数据传输至星上网；此外，管理单元MEU还通过指令对信号调理电路和传感器探头进行指令控制、参数设置、数据校正和自检维护。
4.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的智能敏感器还具有代理模块，在星务调度单元异常情况下，管理单元MEU启动代理模块，代理模块替代星务调度单元完成控制律计算和控制调度功能。
5.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于当所述的带有微处理器的智能敏感器中的传感器探头为磁强计时，带有微处理器的智能敏感器包括磁强计探头、信号调理电路、管理单元MEU、地磁场知识库及现场总线接口，磁强计探头被测对象信号将其变成模拟信号；信号调理电路将被测到的模拟信号进行滤波、积分放大；之后管理单元MEU进行模数转换、数字信号处理获得被测地磁场数据，再将被测地磁场数据与查表获得地磁场知识库的当地地磁场数据进行对比，由两者地磁场强度差进行坐标变换得到卫星的姿态偏差；通过现场总线接口将卫星的姿态偏差根据调令发送到星上网；此外，管理单元MEU还通过指令对信号调理电路和磁强计探头进行指令控制、参数设置、数据校正和自检维护。
6.根据权利要求3所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于当所述的传感器探头为光纤陀螺时，带有微处理器的智能敏感器包括光纤陀螺光路及其测量电路部分、信号调理电路、管理单元MEU、参数校正、角度预估和现场总线接口，光纤陀螺光路及其测量电路部分将检测到的信号通过信号调理电路进行滤波、积分放大；由管理单元MEU进行模数转换，获得陀螺敏感到的姿态角信息；通过参数校正模块对陀螺零漂稳定性和随机漂游综合分析，对测量到的姿态角信息进行校正，获得相对较准的姿态角速度；再通过角度预估模块，对姿态角速度进行积分，获得姿态角度；此外，管理单元MEU还通过指令对信号调理电路和光纤陀螺光路及其测量电路部分进行指令控制。
7.根据权利要求所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的带有微处理器的智能执行部件包括执行机构、驱动电路、管理单元MEU和总线接口，总线接口获得来自星上网的控制指令，送至管理单元MEU，管理单元MEU对接收到的控制指令进行判读，解数据包，然后通过驱动电路驱动执机构动作；此外，管理单元MEU还具有自检维护功能。
8.根据权利要求所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的智能执行部件还具有代理模块，在星务调度单元异常情况下，在星务调度单元异常情况下，管理单元MEU启动代理模块，由代理模块替代星务调度单元完成控制律计算和控制调度功能。
9.根据权利要求7所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于当所述的执行机构为喷嘴时，智能执行机构为推进器IEM，它包括推进执行机构、驱动电路、管理单元MEU、代理模块及总线接口，总线接口获得来自星上网的控制指令，送至管理单元MEU，管理单元MEU对接收到的控制指令进行判读，解数据包，然后通过驱动电路驱动执机构动作；在星务调度单元异常情况下，管理单元MEU启动代理模块，替代星务调度单元完成控制律计算和控制调度功能。
10.根据权利要求3-9中之一所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的管理单元MEU包括微处理器、实时多任务操作系统、通用数字接口、模数转换器、数模转换器、程序存储器、数据存储器、外部存储器、CAN总线控制器A和B、边界扫描口，微处理器中固化实时多任务操作系统，应用软件在实时多任务操作系统上进行开发和运行；从星上网来的调令，通过数字接口或数模转换器送至微处理器，微处理器进行处理后，再通过数字接口或模数转换器获取智能传感器和智能执行部件的信息和状态回送星务调度单元；CAN总线接口控制器负责接收和发送数据，进行总线的数据、滤波、组帧分发、解包处理功能；外部存储器用于存储数据库、扩充星上存储能力和加快星上运行速度，程序存储器用于存储控制程序，数据存储器分别存储数据；边界扫描接口用于硬件和软件调试。
11.根据权利要求1所述的基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，其特征在于所述的星务调度单元包括实时多任务操作系统、轨道计算任务、姿态控制任务、姿态滤波任务和总线调度任务，总线调度任务发送调令到星上网，从星上网上获取各个星上设备的数据，轨道任务和姿态滤波任务采用这些数据进行轨道计算和滤波处理，将处理后的姿态信息给姿态控制任务，姿态控制任务根据控制算法进行计算，将计算出的控制数据传送到星上网，星上网对应的执行部件接收到控制数据后按要求进行控制。
全文摘要
一种基于星上网的卫星姿态和轨道控制系统，包括星上网、星务调度单元、带有微处理器的智能敏感器部件和智能执行部件，星务调度单元给某个指定的带有微处理器的智能敏感器部件通过星上网发送获取信息调令，该带有微处理器的智能敏感器部件获得调令后将其敏感的信息发送到星上网上从而使得星务调度单元获得该信息，通过该种调令，获得到各个带有微处理器的智能敏感器的测量信息后，调度单元经过控制算法计算，通过星上网发送控制命令给某个指定的带有微处理器的智能执行部件，带有微处理器的智能执行部件获得命令后执行从而使得星体动作，达到控制目的。本发明简化了卫星姿态控制系统的复杂性，降低了卫星姿态控制系统的风险，提高了卫星姿态和轨道控制的可靠性、实时性和安全性。
文档编号G05D1/10GK101093397SQ200610086609
公开日2007年12月26日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者李孝同, 施思寒 申请人:航天东方红卫星有限公司