专利名称：一种基于多敏感器的定姿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于星敏感器/太阳敏感器/光纤陀螺/磁强计的多敏感器的定
姿系统，适用于新一代对地观测卫星的高分辨率对地观测以及空间环境分布式组网探测用 微小卫星的高性能定姿。
背景技术：
随着国民经济的发展，急需利用宽幅大范围的高分辨率对地观测卫星对海洋、环 境、农林等资源进行高分辨率的对地观测与监控，但目前国内外还都是利用幅宽窄、成本高 的大型卫星来实现。而随着卫星技术的飞速发展，微小卫星以其成本低、重量轻、灵活机动、 研制周期短及易于编队组网等特点，成为引领未来空间分布式探测技术的一个重要发展方 向；它能够通过编队组网，实现大幅宽、低成本的分布式高分辨率对地观测任务。
目前国内外大都采用星敏感器、太阳敏感器、地平仪等天体敏感器同惯性角速率 传感器相组合的方式对航天器进行定姿，这不但会使体积、重量大，而且集成度低及处理系 统冗余。2004年美国Draper实验室研制出了 一种体积较小、功耗较低、重量轻、定姿精度较 高、适用于微小卫星(重量约为10 100kg，携带的能源较少)定姿的组合定姿系统——'惯 性恒星罗盘；它集成了星敏感器、MEMS惯性角速率陀螺仪和处理系统三个部分，可提供不 间断的姿态信息，但其惯性信息处理单元与星敏信息处理单元均是分开存在的，因而集成 度不高，进而导致体积和功耗很难满足高性能定姿要求。专利ZL200610165166. 4提出了一 种微纳航天器用微小型、低功耗惯性恒星罗盘，虽然解决了惯性信息处理单元与星敏信息 处理单元集成的问题，但对于高分辨率对地观测卫星的高精度高可靠定姿，却存在由于星 敏信息在姿态敏捷机动条件下易于丢失，使得惯性器件误差无法修正进而导致定姿精度降 低，以及采用基于最优REQUEST算法和區F滤波的组合定姿方法仅适用于高斯噪声的情况。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种小体积、高集成度、高 精度、高可靠性，适用于高分辨率对地观测机动卫星高性能的基于多敏感器的定姿系统。
本发明的技术解决方案是一种基于多敏感器的定姿系统，包括敏感子系统、信号 采集及预处理子系统、综合处理子系统；所述的敏感子系统集成了星敏感探头、太阳敏感探 头、光纤陀螺和三轴磁场探头这四类敏感部件，其中星敏感探头和太阳敏感探头分别实现 对星光信息和太阳光信息的敏感，将星光信息和太阳光信息转换成相应的电信号并进行跟 随和放大；安装时，星敏感探头和太阳敏感探头的敏感光轴夹角为90度；光纤陀螺完成对 三个相互垂直方向上惯性信息的敏感，并将其转换成相应的电信号；三轴磁场探头完成对 三个相互垂直方向上地磁信息的敏感，并将其转换成相应的电信号；星光信息、太阳光信 息、地磁信息和惯性信息一起送入信号采集及预处理子系统；信号采集及预处理子系统控 制对上述四种信息进行平滑和预处理后，送入综合处理子系统；综合处理子系统将接收到 的经平滑和预处理后的星光信息、太阳光信息、地磁信息和惯性信息进行同步处理，采用基于蚁群粒子滤波算法的组合定姿方法，实现系统的姿态确定。 信号采集及预处理子系统包括A/D转换模块、FPGA芯片、配置芯片、SRAM或SDRAM 存储器、时钟电路和电源模块，其中A/D转换模块和FPGA芯片将从敏感子系统传来的星光 信息转换成数字信号，完成星图数据的星图去噪、畸变校正、质心提取等预处理操作，以及 对太阳光信息、地磁信息和惯性信息的平滑，并将处理后的结果送入综合处理子系统中；时 钟电路为FPGA芯片提供时钟信号，配置芯片为FPGA芯片存储软件程序，SRAM或SDRAM存 储器为FPGA芯片提供存储空间，电源模块为信号采集及预处理子系统提供电源。
综合处理子系统包括电平转换接口电路、DSP或ARM处理器芯片、外扩Flash存储 器、SRAM或SDRAM存储器、电源模块、时钟电路和串口扩展模块，其中电平转换接口电路、 DSP或ARM芯片和串口扩展模块接收来自信号采集及预处理子系统的数据，完成星图识别 和星光信息解算，并联合太阳光信息、地磁信息和惯性信息实现集成定姿系统的融合定姿； 时钟电路为DSP或ARM芯片提供时钟信号，外扩Flash存储器为DSP或ARM芯片存储软件 程序，SRAM或SDRAM存储器为DSP或ARM芯片提供数据存储空间，电源模块为综合处理子 系统提供电源。 基于蚁群粒子滤波算法的组合定姿方法，是将CMOS星敏感探头敏感到的星光信 息，结合太阳敏感探头观测的太阳光信息，三轴磁场探头敏感的地磁信息，以及经误差补偿 后的光纤陀螺提供的惯性信息，采用最优REQUEST算法，解算得到q阵作为蚁群粒子滤波器 的观测信息；该观测信息进一步结合经误差补偿的惯性信息，通过蚁群粒子滤波算法，得到 集成定姿系统的姿态和陀螺漂移估计，以补偿陀螺的输出，最后由姿态四元数解算集成定 姿系统的姿态参数，完成集成定姿系统的组合定姿。 本发明的原理是利用星敏感器、太阳敏感器、三轴磁强计和光纤陀螺分别敏感星 光信息、太阳光信息、地磁信息和惯性信息，经过A/D变换和FPGA芯片进行预处理，将预处 理后的数据输入到综合处理子系统。预处理的内容包括太阳光信息，地磁信息以及惯性信 息的平滑、星图去噪、畸变校正和质心提取等；综合处理子系统，由高性能的DSP或ARM芯片 辅以外扩的SRAM或SDRAM存储器和外扩的Flash存储器，进行星敏感器的星图识别、星光 信息解算和基于蚁群粒子滤波算法的太阳光信息、地磁信息和惯性信息融合定姿。
本发明与现有技术相比的优点在于 (1)引入了太阳光信息和地磁信息，克服了星敏感器在大姿态机动时信息丢失导
致定姿精度降低的问题，适用于新一代高分辨率对地观测机动卫星的组合定姿； (2)基于DSP或ARM芯片+FPGA的处理系统，引入了蚁群粒子滤波算法，将惯性信
息、星光信息、太阳光信息和地磁信息进行信息融合，适用于非高斯噪声的情况，提高了定
姿精度； (3)将星敏感器、太阳敏感器、光纤陀螺和微传感器的处理单元高度集成，显著提 高了系统的集成度，减小了系统的体积和功耗。
图1为本发明结构组成示意图； 图2为本发明信号采集及预处理子系统结构示意图；
图3为本发明综合处理子系统结构示意 图4为本发明总体信号流程图； 图5为本发明基于蚁群粒子滤波算法的集成定姿系统组合定姿流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由敏感子系统1 、信号采集及预处理子系统2、综合处理子系统 3组成。敏感子系统1主要包括CMOS星敏感探头11、太阳敏感探头12、光纤陀螺13和三轴 磁场探头14，其中CMOS星敏感探头11和太阳敏感探头12实现对星光信息和太阳光信息的 敏感，将其转换成相应的电信号并进行跟随和放大的处理。为了避免太阳光对星敏感器的 干扰和方便轨道坐标系的计算，将CMOS星敏感探头ll和太阳敏感探头12的敏感光轴安装 角设置为90度，假设初始本体坐标系同轨道坐标系重合，安装时星敏光轴方向同Z轴反方 向重合，太阳敏感光轴方向同Y轴重合并指向太阳方向；光纤陀螺13完成对三个相互垂直 方向上惯性信息的敏感，并将其转换成相应的电信号，三轴磁场探头14完成对三个相互垂 直方向上地磁信息的敏感，并将其转换成相应的电信号。 如图2所示，为本发明的信号采集及预处理子系统2结构示意图，该子系统包括 A/D转换模块21、FPGA芯片22、配置芯片23、SRAM或SDRAM存储器24、时钟电路25和电源 模块26，其中A/D转换模块21接收来自敏感子系统1的星光信息，将其进行A/D转换后传 入到FPGA芯片22中，其中FPGA芯片22及其配套的程序配置芯片23分别采用Cypress公 司的Spartan 3 XC3S400和XCF02SV020C，属于系列配套产品，避免了兼容问题的出现。在 FPGA芯片22的外围外扩了 SRAM存储器24，用以对来自敏感子系统1的太阳光信息，惯性 信息、地磁信息以及经A/D转换的星光信息进行缓存。时钟电路25对本子系统提供独立的 时钟信号，电源模块26为FPGA芯片22提供所需的1. 2V、2. 5V和3. 3V电压，并为配置芯片 23提供3. 3V电压。本实施例中，先由A/D转换器21对接收到的星光信息进行模数转换，然 后将转换后的星光信息，以及惯性信息，地磁信息和太阳光信息传输到FPGA芯片22中。在 FPGA芯片22周围设置了容量为2MByte的SRAM存储器24，可以对处理前、后的数据进行临 时存储，起到很好的缓冲作用；在配置芯片23中预先装入了实现包括星图去噪、畸变校正、 质心提取，以及地磁信息，惯性信息平滑等功能，当FPGA芯片22接收到敏感子系统1传来 的数据时，程序便开始工作。经处理之后，可以由星光信息以及太阳光信息，地磁信息和惯 性信息，经过蚁群粒子滤波，得到集成定姿系统的姿态输出。 由于受到杂散光及星敏感器芯片热噪声和固定模式噪声的影B向，导致星敏感器的
星像受到噪声污染。因此，要进行星体质心的精确提取，必须对星图进行图像去噪处 理。本设计采用在图像去噪领域获得广泛应用的多小波变换方法，对星图进行CL多小波变 换，将星图的绝大部分能量汇聚在最低分辨率的子图像中，对变换后的图像进行CL多小波 反变换，得到去噪之后的星图。 由于镜头变形和星敏感器的安装误差，以及星敏感器大视场、大相对口径的特点， 都会导致星像的畸变，表现为图像像素点的位移导致物体成像发生变形。畸变校正分 为以下步骤首先对理想图像所在的空间坐标进行变换，使理想图像像素点与实际畸变图 像像素点的空间位置对应，获得相应的畸变参数，然后根据实际的图像像素点，进行插值， 得到理想图像像素点的灰度值。 星敏感器的设计中，为了得到高精度的质心，一般对镜头进行离焦处理，一颗星所成的像会有若干个连续的点组成，星图质心提取就是将这若干连续的点合并为同一颗星
体，并得到该星体的中心位置。目前工程上比较常用的方法是基于一阶矩的星图质心提取
算法，以灰度值作为权值，像素点的二维坐标为系数，得到每一颗星体的质心位置。 惯性信息和地磁信息的采样频率较高，不宜直接送入滤波器直接进行姿态解算，
故先将惯性信息和地磁信息进行平滑滤波，以达到降频的目的，将平滑滤波后的信息送入
滤波器完成姿态解算。 如图3所示，为本发明的综合处理子系统3结构示意图，该子系统包括电平转换接 口电路31、 DSP或ARM芯片32、外扩Flash存储器33、 SRAM或SDRAM存储器34、电源模块 35、时钟电路36和串口扩展模块37，其中电平转换接口电路31将信号采集及预处理子系 统2输出的星点、质心位置信息和平滑后的惯性信息，太阳光信息，地磁信息进行电平转换 后送入DSP芯片(TMS320C6711)或ARM芯片(AT91RM9200) 32。 DSP或ARM芯片32处理过 程中所需的软件程序事先固化在外扩的Flash存储器33中，另外还外扩了 SDRAM存储器34 用以存储处理前后的数据。时钟电路36对本子系统提供独立的时钟信号，电源模块35为 DSP或ARM芯片32提供所需的1. 8V内核电压和外围电路所需的3. 3V电压。利用DSP或 ARM芯片32处理速度快、运算精度高等优点，完成星图识别的功能，进而结合太阳光信息， 地磁信息和惯性信息实现组合定姿。在DSP或ARM芯片32的外围扩展了 Flash存储器33 和SDRAM存储器34和串口扩展模块37等设备，其中DSP或ARM芯片32可以直接通过串口 扩展模块37实现收发数据，Flash存储器33用于装载实现各种功能的算法程序，SDRAM存 储器34用于存储处理前后的数据。 如图4所示，为本发明的总体信号流程图，星光信息通过CMOS星敏感探头11 ，经过 模数转换后，送入FPGA芯片22进行预处理，太阳光信息，惯性信息和地磁信息分别通过太 阳敏感探头12，光纤陀螺13，和三轴磁场探头，进入FPGA芯片22进行预处理，同时FPGA芯 片22也可进行反馈，对CMOS星敏感探头11发出控制信号，对其曝光起始时间和结束时间 进行控制，控制太阳敏感器，磁强计，光纤陀螺发送数据的频率等。FPGA芯片22预处理之后 的信息经电压转换缓冲之后便进入DSP或ARM芯片32 ，在这里完成最后的姿态解算、组合定 姿等，从而得到集成定姿系统的组合定姿结果等。 如图5所示，本发明的基于蚁群粒子滤波算法的集成定姿系统组合定姿流程图， 初始化后，将星敏感探头11敏感到的星光信息，太阳敏感探头12观测的太阳光信息，三轴 磁场探头14敏感的地磁信息，以及经误差补偿后的光纤陀螺13提供的惯性信息，采用最优 REQUEST算法，解算得到四元数q阵作为蚁群粒子滤波器的观测信息；该观测信息进一步结 合经误差补偿的惯性信息，通过蚁群粒子滤波， 一方面得到集成定姿系统的姿态四元数，另 一方面得到陀螺漂移估计，以补偿陀螺的输出，最后由姿态四元数解算集成定姿系统的姿 态参数，程序结束。其中，蚁群粒子滤波算法主要步骤是 (1)将计算得到的四元数q阵和经误差补偿后的惯性信息作为蚁群粒子滤波的输 入；在标准粒子滤波算法的基础上，将四元数q阵作为标准粒子滤波的中心粒子，并以其为 参考按照标准正态分布产生N-1个粒子；引入蚁群算法，进行初始化蚁群算法最大循环次 数Cmax、信息启发式因子a 、期望启发式因子P 、信息素强度Q、信息素挥发系数P 、蚂蚁数 目m以及粒子数量N(q， Ql， q2，…，qN—》； (2)将m个蚂蚁置于N个粒子上，令第i个粒子的权值9 i的初始化信息量t 4 (0)为常数，且初始时刻a t i (o) = o ; t i (t)表示t时刻权值e i的信息量，a T i (t)表示所
有蚂蚁在t时刻留在权值e i上的信息量的和，t = 1，2…； (3)循环次数Count = Count+1 ， (Count初始值设为0)，蚂蚁的禁忌表tabuk索引 号k = l，其中tabUk表示蚂蚁k当前所走过的粒子；
(4)蚂蚁数目k = k+l，蚂蚁个体根据下面的状态转移概率力、 粒子i并前进；
x式所计算的概率选择 "(0 =
0， /g{iV-to6Mt} 其中，Pik(t)为状态转移概率，Jli(t)为启发函数，表示蚂蚁选择粒子i的期望程
度，n i (t) = 1/ e i， e,表示粒子i的权值；(5)选择好之后将蚂蚁移动到新的粒子上，并把该粒子记录到该蚂蚁个体的禁忌
/入^面都te水粒子上的信息量
表中；若k〈m，则跳转到第(4)步，否则根据下面公式更新每
(t+N) = (1-p) T (t) + A Ti(t)，当第k只蚂蚁过权值9i时，Ar,(0 其中，Lk表示第k只蚂蚁在本次循环所走过粒子的总个数； (6)若Count < Cmax，即小于蚁群算法最大循环次数，清空禁忌表转到第(3)步； 否则循环结束，这时对当前粒子进行优化和筛选，复制优等的粒子，来保留权值较大即信息 量多的粒子并淘汰权值小即信息量小的粒子；对权值较小的粒子进行交换和变异，避免粒 子耗尽问题；然后利用复制、交换和变异的粒子，并结合惯性信息进行粒子滤波完成姿态和 陀螺漂移估计，并将陀螺漂移反馈给惯性信息，误差补偿。 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
一种基于多敏感器的定姿系统，其特征在于包括敏感子系统(1)、信号采集及预处理子系统(2)、综合处理子系统(3)；所述的敏感子系统(1)集成了星敏感探头(11)、太阳敏感探头(12)、光纤陀螺(13)和三轴磁场探头(14)这四类敏感部件，其中星敏感探头(11)和太阳敏感探头(12)分别实现对星光信息和太阳光信息的敏感，将星光信息和太阳光信息转换成相应的电信号并进行跟随和放大；安装时，星敏感探头(11)和太阳敏感探头(12)的敏感光轴夹角为90度；光纤陀螺(13)完成对三个相互垂直方向上惯性信息的敏感，并将其转换成相应的电信号；三轴磁场探头(14)完成对三个相互垂直方向上地磁信息的敏感，并将其转换成相应的电信号；星光信息、太阳光信息、地磁信息和惯性信息一起送入信号采集及预处理子系统(2)；信号采集及预处理子系统控制(2)对上述四种信息进行平滑和预处理后，送入综合处理子系统(3)；综合处理子系统(3)将接收到的经平滑和预处理后的星光信息、太阳光信息、地磁信息和惯性信息进行同步处理，采用基于蚁群粒子滤波算法的组合定姿方法，实现系统的姿态确定。
2. 根据权利要求1所述的一种基于多敏感器的定姿系统，其特征在于所述的信号采集及预处理子系统(2)包括A/D转换模块(21)、 FPGA芯片(22)、配置芯片(23) 、 SRAM或 SDRAM存储器(24)、时钟电路(25)和电源模块(26)，其中A/D转换模块(21)和FPGA芯 片(22)将从敏感子系统(1)传来的星光信息转换成数字信号，完成星图数据的预处理，以 及对太阳光信息、地磁信息和惯性信息的平滑，并将处理后的结果送入综合处理子系统(3) 中；时钟电路(25)为FPGA芯片(22)提供时钟信号，配置芯片(23)为FPGA芯片(22)存储 软件程序，SRAM或SDRAM存储器(24)为FPGA芯片(22)提供存储空间，电源模块(26)为 信号采集及预处理子系统(2)提供电源。
3. 根据权利要求1所述的一种基于多敏感器的定姿系统，其特征在于所述的综合处 理子系统(3)包括电平转换接口电路(31)、DSP或ARM处理器芯片(32)、外扩Flash存储 器(33) 、SRAM或SDRAM存储器(34)、电源模块(35)、时钟电路(36)和串口扩展模块(37)， 其中电平转换接口电路(31)、DSP或ARM芯片(32)和串口扩展模块(37)接收来自信号采 集及预处理子系统(2)的数据，完成星图识别和星光信息解算，并联合太阳光信息、地磁信 息和惯性信息实现集成定姿系统的融合定姿；时钟电路(36)为DSP或ARM芯片(32)提供 时钟信号，外扩Flash存储器(33)为DSP或ARM芯片(32)存储软件程序，SRAM或SDRAM 存储器(34)为DSP或ARM芯片(32)提供数据存储空间，电源模块(35)为综合处理子系统 (3)提供电源。
4. 根据权利要求1所述的一种基于多敏感器的定姿系统，其特征在于所述的基于蚁 群粒子滤波算法的组合定姿方法，是将CMOS星敏感探头(11)敏感到的星光信息，结合太阳 敏感探头(12)观测的太阳光信息，三轴磁场探头(14)敏感的地磁信息，以及经误差补偿后 的光纤陀螺(13)提供的惯性信息，采用最优REQUEST算法，解算得到四元数q阵作为蚁群 粒子滤波器的观测信息；该观测信息进一步结合经误差补偿的惯性信息，通过蚁群粒子滤 波算法，得到集成定姿系统的姿态和陀螺漂移估计，以补偿陀螺的输出，最后由姿态四元数 解算集成定姿系统的姿态参数，完成集成定姿系统的组合定姿。
5. 根据权利要求4所述的一种基于多敏感器的定姿系统，其特征在于所述的蚁群粒 子滤波算法的步骤为(1)将计算得到的四元数q阵和经误差补偿后的惯性信息作为蚁群粒子滤波的输入；在标准粒子滤波算法的基础上，将四元数q阵作为标准粒子滤波的中心粒子，并以其为参 考按照标准正态分布产生N-1个粒子；引入蚁群算法，进行初始化，初始化方法为蚁群算 法最大循环次数Cmax、信息启发式因子a、期望启发式因子P 、信息素强度Q、信息素挥发 系数P 、蚂蚁数目m以及粒子数量N(q， Ql， q2，…，qN—》；(2) 将m个蚂蚁置于N个粒子上，令第i个粒子的权值9i的初始化信息量Ti(0)为 常数，且初始时刻A t i (0) = 0 ; t i (t)表示t时刻权值e,的信息量，A t i (t)表示所有 蚂蚁在t时刻留在权值9 i上的信息量的和，t = 1，2…；(3) 循环次数Count = Count+l，Count初始值设为O，蚂蚁的禁忌表tabuk索引号k = l，其中tabuk表示蚂蚁k当前所走过的粒子；(4) 蚂蚁数目k = k+l，蚂蚁个体根据下面的状态转移概率公式所计算的概率选择粒子 i并前进；<formula>formula see original document page 3</formula>其中，P,(t)为状态转移概率，ni(t)为启发函数，表示蚂蚁选择粒子i的期望程度， n, (t) = 1/ e i， e,表示粒子i的权值；(5) 选择好之后将蚂蚁移动到新的粒子上，并把该粒子记录到该蚂蚁个体的禁忌表中； 若k〈m，则跳转到第(4)步，否则根据下面公式更新每个粒子上的信息量<formula>formula see original document page 3</formula>当第k只蚂蚁过权值ei时，<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Lk表示第k只蚂蚁在本次循环所走过粒子的总个数；(6) 若Count < Cmax，即小于蚁群算法最大循环次数，则清空禁忌表转到第(3)步；否 则循环结束，这时对当前粒子进行优化和筛选，复制优等的粒子，来保留权值较大即信息量 多的粒子，并淘汰权值小即信息量小的粒子；对权值较小的粒子进行交换和变异，避免粒子 耗尽问题；然后利用复制、交换和变异的粒子，并结合惯性信息进行粒子滤波完成姿态和陀 螺漂移估计，并将陀螺漂移反馈给惯性信息，实现误差补偿。
全文摘要
一种基于多敏感器的集成定姿系统，包括敏感子系统、信号采集及预处理子系统、综合处理子系统；敏感子系统集成了星敏感探头、太阳敏感探头、光纤陀螺和磁场探头这四类敏感部件；信号采集及预处理子系统由FPGA芯片及其外围电路实现，并行接收四类敏感探头的输出数据，并完成数据的平滑和预处理；最后利用以DSP(或ARM)芯片为核心的综合处理子系统，根据经过平滑和预处理后的太阳光信息、星光信息、惯性信息和地磁信息，采用基于蚁群粒子滤波算法的组合定姿方法，实现系统的高精度姿态确定。本发明实现了一种高精度、高集成度、高可靠性的集成定姿系统，对实现新一代对地观测卫星的高分辨率对地观测具有重要的实践意义。
文档编号B64G1/28GK101712381SQ200910237658
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者全伟, 刘丙利, 杨照华, 郭雷 申请人:北京航空航天大学