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1、(10)申请公布号 CN 103438889 A (43)申请公布日 2013.12.11 CN 103438889 A *CN103438889A* (21)申请号 201310317010.3 (22)申请日 2013.07.25 G01C 21/24(2006.01) (71)申请人 北京控制工程研究所 地址 100080 北京市海淀区北京 2729 信箱 (72)发明人 刘科 涂智军 吕政欣 邓楼楼 杨颖 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 庞静 (54) 发明名称 一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号 处理系统 (57) 摘要 一种双圆锥扫描红外地球敏感。
2、器地球波信号 处理系统， 包括地球波信号预处理单元和局部终 端单元 ； 局部终端单元包括单片机、 四个计数器、 两个定时器、 五个 RS 触发器 ； 单片机对计数器和 定时器进行初始化设置 ； 本发明占用的硬件资源 相对简单， 采用以单片机为核心的电路即可实现 双通道数据处理、 上传， 不需要高价值、 高速器件， 不需采用模数转换， 数据量较小， 软件处理方法相 对简单， 系统功耗较低， 可靠性高， 适合于卫星应 用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (1。
3、0)申请公布号 CN 103438889 A CN 103438889 A *CN103438889A* 1/1 页 2 1. 一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号处理系统， 其特征在于 ： 包括地球波信 号预处理单元和局部终端单元 ； 局部终端单元包括单片机、 四个计数器、 两个定时器、 五个 RS 触发器 ； 单片机对计数器和定时器进行初始化设置 ； 两个定时器的输出作为一个 RS 触发器的输入 ； 当定时器接收到双圆锥扫描红外地球 敏感器产生的基准信号时， 两个定时器开始计数， 通过控制两个定时器分别达到各自预设 的计数阈值控制 RS 触发器输出高电平和低电平， 即得到消隐信号 ； 地。
4、球波信号预处理单元将输入的地球波信号进行微分处理得到对应地球波信号前后 沿时刻的四个正负微分脉冲信号， 根据接收的消隐信号控制四个正负微分脉冲信号分时进 入两个通道 ； 每个通道中的信号处理成前沿脉冲和后沿脉冲 ； 地球波信号预处理单元中的一个通道对应两个计数器和两个 RS 触发器， 计数器与 RS 触发器之间一一对应 ； 地球波信号预处理单元输出的前沿脉冲和后沿脉冲作为其中一个 RS 触发器的输入， RS 触发器的输出控制计数器对前沿脉冲和后沿脉冲之间的时钟脉冲个 数进行计数， 得到通道的弦宽数据 ； 基准脉冲和地球波信号预处理单元输出的前沿脉冲作 为另一个 RS 触发器的输入， 该 RS 。
5、触发器的输出控制计数器计数得到通道的地入角数据 ； 四个正负微分脉冲信号进入单片机的输入端口， 同时进行 “或” 操作后进入单片机的外 部中断输入端口， 单片机通过中断和查询结合的方式， 得到输入脉冲信号的数据可信度标 志 ； 单片机根据输入的消隐信号的电平转换， 将所有计数器中的数据及数据可信度标志组 帧后缓存， 并对计数器和数据可信度标志清零 ； 当接收到上位机发送的取数指令时， 单片机 将缓存的数据帧发送至上位机。 2. 根据权利要求 1 所述的一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号处理系统， 其特 征在于 ： 根据任务需要， 上位机可以向局部终端单元发出更改定时器计数初值的命令和相 应。
6、数据， 单片机响应命令后根据接收到的数据通过地址总线及数据总线设定定时器计数寄 存器， 定时器计数寄存器调整消隐信号高低电平的占空比， 达到调整两个扫描视场地球捕 获范围的目的。 权 利 要 求 书 CN 103438889 A 2 1/5 页 3 一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号处理系统 技术领域 0001 本发明涉及一种双圆锥扫描红外地球敏感器中地球波信号的处理系统， 可用于中 低轨道卫星进行姿态测量和自主导航。 背景技术 0002 传统的单圆锥扫描红外地球敏感器上安装有扫描装置， 视线和扫描轴有一个夹 角， 视线在电机驱动下绕扫描轴旋转时形成一个圆锥面对地平圈进行扫描， 在一次扫描。
7、中 两次扫过地平圈， 因而可以确定地平圈上的两个点， 得到一个弦宽数据和地入角数据。 0003 双圆锥扫描红外地球敏感器的视线和扫描轴有两个角度为 38和 73的夹角， 工作时形成两个圆锥面对地平圈进行扫描， 可以确定地平圈上四个点。得到两个弦宽数据 和地入角数据。 利用两个不同张角扫描圆锥获取的弦宽和相关计算公式可得到卫星的轨道 高度信息。 0004 利用双圆锥红外扫描测量技术， 不仅能够测量卫星姿态， 还能得到卫星轨道的信 息， 实现卫星在轨的自主导航， 有利于减轻地面测控负担、 降低卫星运行费用、 提高卫星的 生存能力、 扩展卫星的应用潜力和应用程度以适应多型号卫星任务发展和卫星组网的需。
8、 要。对于军用卫星， 自主导航可以降低卫星对地面系统的依赖程度， 提高其战时生存能力。 0005 上个世纪 80 年代， 美国空军航天中心在所完成的 航天和导弹投资战略 报告中 指出航天器在轨的自主导航和系统管理是一项需要优先发展的技术。 1994年3月13日， 美 国空军发射了 “空间试验平台零号” 航天器， 对麦氏自主导航系统 （MANS） 进行了飞行 试验。MANS 是由美国 Microcosm 公司负责系统设计和软件研制， EDO 公司巴恩斯工程部负 责敏感器研制的卫星自主导航系统。 该系统导航敏感器在双圆锥扫描地球敏感器的基础上 增加了一对扇形扫描式日、 月敏感器， 获得对地球红外辐。
9、射圆盘的角半径以及地心、 日、 月 方向矢量的测量值， 经过数据处理确定卫星的轨道和三轴姿态， 当时预计其导航精度可达 100m 1.5km （3） 。但实验过程中， 由于导航计算机出现故障， 数据只能下行到地面站进 行处理， 具体数据未见公布。该双圆锥扫描地球敏感器将地球波信号微分处理后进行模数 转换， 由高速的 CPU 或逻辑门阵列完成后续处理， 系统功耗高、 数据量大、 处理方法复杂。 0006 法国 SODERN 公司研制的双圆锥红外地球敏感器具备的两个扫描圆锥夹角相同， 不具备自主导航功能。工作时需要星载计算机或控制器对其设置四个地球前沿 / 后沿脉冲 捕获窗口的位置和宽度， 以确定。
10、姿态计算方法。中国科学院上海技术物理研究所对该种敏 感器进行了仿制。 发明内容 0007 本发明的技术解决问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供了一种占用软硬件资源少， 且实现简便的用于双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号的处理系统。 0008 本发明的技术解决方案是 ： 一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球波信号处理系 统， 包括地球波信号预处理单元和局部终端单元 ； 局部终端单元包括单片机、 四个计数器、 说 明 书 CN 103438889 A 3 2/5 页 4 两个定时器、 五个 RS 触发器 ； 单片机对计数器和定时器进行初始化设置 ； 0009 两个定时器的输出作为一个 RS 触发器的。
11、输入 ； 当定时器接收到双圆锥扫描红外 地球敏感器产生的基准信号时， 两个定时器开始计数， 通过控制两个定时器分别达到各自 预设的计数阈值控制 RS 触发器输出高电平和低电平， 即得到消隐信号 ； 0010 地球波信号预处理单元将输入的地球波信号进行微分处理得到对应地球波信号 前后沿时刻的四个正负微分脉冲信号， 根据接收的消隐信号控制四个正负微分脉冲信号分 时进入两个通道 ； 每个通道中的信号处理成前沿脉冲和后沿脉冲 ； 0011 地球波信号预处理单元中的一个通道对应两个计数器和两个 RS 触发器， 计数器 与 RS 触发器之间一一对应 ； 地球波信号预处理单元输出的前沿脉冲和后沿脉冲作为其中。
12、 一个 RS 触发器的输入， RS 触发器的输出控制计数器对前沿脉冲和后沿脉冲之间的时钟脉 冲个数进行计数， 得到通道的弦宽数据 ； 基准脉冲和地球波信号预处理单元输出的前沿脉 冲作为另一个 RS 触发器的输入， 该 RS 触发器的输出控制计数器计数得到通道的地入角数 据 ； 0012 四个正负微分脉冲信号进入单片机的输入端口， 同时进行 “或” 操作后进入单片机 的外部中断输入端口， 单片机通过中断和查询结合的方式， 得到输入脉冲信号的数据可信 度标志 ； 单片机根据输入的消隐信号的电平转换， 将所有计数器中的数据及数据可信度标 志组帧后缓存， 并对计数器和数据可信度标志清零 ； 当接收到上。
13、位机发送的取数指令时， 单 片机将缓存的数据帧发送至上位机。 0013 根据任务需要， 上位机可以向局部终端单元发出更改定时器计数初值的命令和相 应数据， 单片机响应命令后根据接收到的数据通过地址总线及数据总线设定定时器计数寄 存器， 定时器计数寄存器调整消隐信号高低电平的占空比， 达到调整两个扫描视场地球捕 获范围的目的。 0014 本发明与现有技术相比有益效果为 ： 0015 （1） 本发明占用的硬件资源相对简单， 采用以单片机为核心的电路即可实现双通 道数据处理、 上传， 不需要高价值、 高速器件， 不需采用模数转换， 数据量较小， 软件处理方 法相对简单， 系统功耗较低， 可靠性高， 。
14、适合于卫星应用。 0016 （2） 本发明处理的数据可信度高， 考虑了在轨应用的多种工况和干扰可能对数据 造成的影响， 防止错误数据被上传。 0017 （3） 本发明采用的双圆锥扫描红外地球波微分信号分离方法简单可靠， 且具备一 定的灵活性， 方便调整地球捕获范围。 附图说明 0018 图 1 为本发明系统框图 ； 0019 图 2 为本发明方法中信号处理示意图 ； 0020 图 3 为本发明方法中局部终端单元数据可信度标志处理流程图。 具体实施方式 0021 下面结合附图对本发明做详细说明， 本发明一种双圆锥扫描红外地球敏感器地球 波信号处理系统， 如图 1 所示包括地球波信号预处理单元和局。
15、部终端单元 ； 局部终端单元 说 明 书 CN 103438889 A 4 3/5 页 5 包括单片机、 四个计数器、 两个定时器、 五个 RS 触发器 ； 单片机对计数器和定时器进行初始 化设置。 0022 （一） 地球波信号预处理单元 0023 地球波信号预处理单元由有源微分电路、 源极接地的场效应管开关电路、 反相器 和正 / 负峰值取中检波电路组成。 0024 地球的红外辐射通过红外地球敏感器进行光电转换， 双圆锥扫描红外地球敏感器 内部只有一个红外探测器， 每扫一圈输出的信号包含两个近似于梯形的地球方波信号， 分 别属于两个扫描圆锥， 如附图 2 所示 ； 两个圆锥扫描红外地球敏感器。
16、分时扫过地球， 产生的 一路含两个地球方波的地球波信号进入有源微分电路， 处理成对应地球波信号前后沿时刻 的四个正负微分脉冲信号。有源微分电路为一个带通滤波器， 中心频率 45Hz， 放大倍数为 110 倍， 带宽 80Hz， 在保证电路的微分特性同时有效抑制信号的噪声。 0025 由局部终端单元产生的消隐信号控制两个场效应管， 一路消隐信号直连场效应管 栅极， 低电平时场效应管漏极和源极之间为绝缘状态， 微分脉冲信号进入通道 1 ； 消隐信号 为高电平时场效应管漏极和源极之间为导通状态， 微分信号不能进入通道 1。另一路消隐 信号经过反相后连接场效应管的栅极， 保证消隐信号为高电平时微分信号。
17、进入通道 2 ； 消 隐信号为低电平时微分信号不能进入通道 2。四个正负微分脉冲信号分时进入两个处理通 道， 完成两个扫描圆锥地球测量信号的分离， 每个信号拥有独立的处理通道。 0026 正 / 负峰值取中检波电路通过峰值保持获得微分信号的峰值电压， 并取出峰值电 压的一半作为比较门槛值， 取中电路通过简单的电阻分压实现， 输出与比较器的反相输入 端连接， 比较器的正相输入端与微分信号连接。 当输入信号上升到半峰值处， 比较器的输出 由低电平翻转为高电平 ； 当输入信号下将到半峰值处， 比较器的输出由高电平翻转为低电 平， 从而产生了表征两个地球方波上升沿和下降沿时刻的 4 个脉冲信号， 即前。
18、沿脉冲 1、 后 沿脉冲 1、 前沿脉冲 2 和后沿脉冲 2， 波形如图 2 所示。 0027 （二） 局部终端单元 0028 （1） 消隐信号 0029 消隐信号由单片机控制的两个定时器 （定时器 0、 定时器 1） 结合一个 RS 触发器产 生， 基准脉冲作为定时器0/1的门控信号， 定时器0/1的输出信号连接RS触发器输入端。 定 时器计数及寄存器初始值由单片机设定， 基准脉冲到来后定时器内计数寄存器对时钟脉冲 减数。当定时器 0 计数值为 0 时， 其输出脉冲使 RS 触发器输出的消隐信号为高电平 ； 而定 时器 1 计数值为 0 时的输出脉冲使 RS 触发器输出的消隐信号为低电平。 。
19、0030 单片机在上电初始化时通过地址总线及数据总线设定定时器计数寄存器默认值， 定时器 0 默认值为 a 度， a 的取值范围 85-95 度，（本双圆锥扫描红外地球敏感器 1 个时钟 脉冲对应空间角度为 2） ， 定时器 1 默认值为 360-a 度。因此基准脉冲前后 a 度范围内， 地球波信号进入通道 1 进行处理， 其它时刻地球波进入通道 2 进行处理， 波形如图 2 所示， 图 2 中 a 取 90 度。 0031 （2） 测量数据 0032 地球波信号预处理单元中的一个通道对应两个计数器和两个 RS 触发器， 计数器 与 RS 触发器之间一一对应 ； 地球波信号预处理单元输出的前沿。
20、脉冲和后沿脉冲作为其中 一个 RS 触发器的输入， RS 触发器的输出控制计数器对前沿脉冲和后沿脉冲之间的时钟脉 说 明 书 CN 103438889 A 5 4/5 页 6 冲个数进行计数， 得到通道的弦宽数据 ； 基准脉冲和地球波信号预处理单元输出的前沿脉 冲作为另一个 RS 触发器的输入， 该 RS 触发器的输出控制计数器计数得到通道的地入角数 据 ； 将弦宽数据和地入角数据统称为测量数据。 0033 如图 1 所示， 以计数器 1 为例， 前沿脉冲 1 和后沿脉冲 1 分别作为 RS 触发器的 S 端和 R 端输入信号。输出端 Q 产生一个脉宽为前沿脉冲上升沿时刻至后沿脉冲上升沿时刻 。
21、的脉冲信号， 作为计数器 1 的门控信号。计数器 1 将对前沿脉冲和后沿脉冲之间的时钟脉 冲个数进行计数， 得到通道 1 的弦宽数据。对于计数器 0， 前沿脉冲 1 和基准脉冲分别作为 RS 触发器的 S 端和 R 端输入信号， 基准脉冲为双圆锥红外地球敏感器扫描装置旋转至基准 点时产生的脉冲， 输出端 Q 产生一个脉宽为前沿脉冲 1 上升沿时刻至基准脉冲上升沿时刻 的脉冲信号， 作为计数器 0 的门控信号。计数器 0 对脉冲宽度的计数值即为通道 1 的地入 角数据。通道 2 在图 1 中对应计数器2 和计数器 3， 通道 2 的弦宽数据和地入角数据的获得 方式与通道 1 一致。 0034 （。
22、3） 数据可信度标志 0035 4 个脉冲信号 （前沿脉冲 1、 后沿脉冲 1、 前沿脉冲 2 和后沿脉冲 2） 进入单片机输入 端口 1-4， 同时进行 “或” 操作后进入单片机的外部中断 0 输入端口， 基准脉冲接入单片机的 外部中断 1 输入端口， 消隐信号接入单片机的输入端口 0。 0036 数据可信度标志利用单片机内部寄存器数据位的 1/0 状态来表征， 共 11 位 ： 有 / 无前沿 1、 有 / 无后沿 1、 有 / 无多前沿 1、 有 / 无多后沿 1、 前沿 1 之前有 / 无后沿 1、 有 / 无 前沿 2、 有 / 无后沿 2、 有 / 无多前沿 2、 有 / 无多后沿。
23、 2、 前沿 2 之前有 / 无后沿 2、 有 / 无基 准。 0037 单片机内运行程序对输入端口 1-4 进行查询， 判定为何种信号触发中断， 通过中 断和查询结合的方式， 供单片机判断4个脉冲信号是否有无， 将出现两次及以上的前/后沿 脉冲情况、 前沿脉冲到来之前出现后沿脉冲这两种情况视为杂光干扰， 将相关信息整理为 数据可信度标志位， 附加在通讯数据中， 增强测量数据的可信度。图 3 为数据可信度标志处 理流程图。首先判断信号是否为前沿脉冲 1， 如果是则判断 “有 / 无前沿 1” 标志位， 有则设 置 “有多前沿 1” 标志 ； 如果为 “无前沿 1” ， 再判断 “有 / 无后沿。
24、 1” 标志， 如 “有后沿 1” 设置 “前沿 1 之前有后沿 1” 标志， 然后设置 “有前沿 1” 标志 ； 若判断为 “无后沿 1” 标志， 直接设 置 “有前沿 1” 标志。如果信号不是前沿脉冲 1， 再判断是否为前沿脉冲 2， 前沿脉冲 2 的处 理流程与前沿脉冲 1 处理流程一致。若信号不是前沿脉冲信号， 则判断是否为后沿脉冲 1， 如果是则判断 “有 / 无后沿 1” 标志位， 有则设置 “有多后沿 1” 标志 ； 若判断为 “无后沿 1” 标志， 直接设置为 “有后沿 1” 。如果信号不是后沿脉冲 1， 再判断是否为后沿脉冲 2， 后沿脉 冲 2 的处理流程与后沿脉冲 1 处。
25、理流程一致。 0038 基准脉冲接入了外部中断 1 输入端口， 如果有基准信号， 触发中断， 设置数据可信 度标志位为 “有基准” ， 如无基准信号则程序无法触发中断， 标志位保持为默认的 “无基准” 状态， 该标志位与其他标志位一起作为测量数据的可信度判据之一。 0039 （4） 数据帧 0040 单片机内运行程序对消隐信号进行查询， 如果查询到消隐信号由低电平翻转为高 电平， 则将所有计数器中的测量数据和数据可信度标志进行组帧后存入缓冲寄存器， 然后 对计数器和数据可信度标志进行清零， 准备下一周期的测量。当接收到上位机发送的取数 说 明 书 CN 103438889 A 6 5/5 页 。
26、7 指令时， 单片机将缓存的数据帧发送至上位机。 0041 上位机可以向局部终端单元发出更改定时器计数初值的命令和相应数据， 单片机 响应命令后将接收到的数据通过地址总线及数据总线设定定时器计数寄存器， 定时器计数 寄存器调整消隐信号高低电平的占空比， 消隐信号低电平所占时间越长， 则通道 1 所对应 的视场地球捕获范围越大， 同时通道 2 对应的视场地球捕获范围越小。高电平所占时间越 长则反之。这样就可达到调整两个扫描视场地球捕获范围的目的。 0042 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。 说 明 书 CN 103438889 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103438889 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103438889 A 9 。