本发明属于仪器仪表领域，具体涉及一种可重构红外地球敏感器模拟器在线校准装置。
背景技术：
卫星姿态控制系统中广泛使用的光电姿态敏感器主要包括太阳敏感器、星敏感器和红外地球敏感器。太阳敏感器在进入地球阴影区时无法使用，而星敏感器虽然精度较高。但是，由于器件本身的特性等因素使其容易受到其他光源的干扰，并且，造价较高，使用寿命也没有地球敏感器长。因此，红外地球敏感器是星上不可缺少的光电姿态敏感器。
红外地球敏感器用于测量卫星在空间的姿态相对于地球的位置变化。地球敏感器所测量的角度包含：卫星俯仰角和滚动角。红外地球敏感器利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆，从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波，通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置，从而确定两轴姿态。
在卫星的地面环境实验中包含地球敏感器的模拟测试，这就需要地球敏感器模拟器(地敏模拟器)在地面模拟太空环境下地球敏感器的作用和状态。对于地敏模拟器输出的俯仰角和滚动角的校准和比测就显得尤为重要。
红外地敏模拟器是将卫星相对地球的姿态信息转换为弦宽信号的半物理仿真装置，即接收动力学发出的姿态信息(滚动角、俯仰角)，以时基信号为基准，输出多路具有复杂逻辑关系、边沿时刻不断变换的脉冲信号。目前其校准方式采用设定3-5种特定工作状态，同时采用信号源、数字表、计时器、示波器等多种仪器组合，对边沿时间、脉冲幅值等常规参量进行校准，再根据给定值(滚动角、俯仰角)对应的特定弦宽信息，对弦宽信号进行校准。其中，信号源作为信号的发生装置发生sd信号和ref信号，计时器进行上升沿和下降沿的触发计时，数字表进行信号幅值和频率的监测，示波器对地敏模拟器的输出ch信号(ch1～ch4)进行波形的采集，与设定的sd和ref信号进行比对进行校准。如图1所示。
然而，上述现有技术存在如下的缺点：
1)整个校准系统同时采用信号源、数字表、计时器、示波器等多种仪器组合，所需设备种类、数量多；
2)目前其校准方式采用设定3-5种特定工作状态，对地球敏感器模拟器的全过程参数测量点无法达到全覆盖，对动态特性无法验证；
3)通过计数器和数字表及其他仪器设备对时基(sd信号)信号和示波器回读信号进行比对校准，不能实现自动化测量，需要由专业技术人员事先计算出特定点对应的理论数值，可操作性较差。
技术实现要素：
本发明鉴于上述的情况，提供一种能解决上述问题的在线校准装置，具体而言，本发明提供一种可重构红外地球敏感器模拟器在线校准装置，其特征在于：包括单片机，由单片机控制的fpga，其中，fpga输出sd和ref脉冲信号给红外地球敏感器模拟器，模拟器反馈卫星姿态信号给fpga。
进一步地，其特征在于：还包括磁耦隔离电路和数字调理电路，所述fpga输出的sd和ref脉冲信号依次经过磁耦隔离电路和数字调理电路后传输到红外地球敏感器模拟器。
进一步地，其特征在于：还包括光耦电路，所述模拟器反馈卫星姿态信号通过光耦电路后进入fpga。
进一步地，其特征在于：地球敏感器模拟器具有通用接口箱，所述sd和ref脉冲信号及卫星姿态信号均通过通用接口箱输入或输出红外地球敏感器模拟器。
进一步地，其特征在于：所述卫星的姿态信息矩形波信号ch1、ch2、ch3、ch4。
进一步地，其特征在于：fpga判断ch信号类型，并计算边沿时刻，解算出基于动力学设定的地敏角度值。
进一步地，其特征在于：校准装置替代动力学送给模拟器仿真输入信息，所述信息包括：俯仰角p，滚动角r，宽窄扫描ws/ns信号，探头输出异常信号inh1～inh4，地球圆盘半径ρ。
采用本发明的方案，具有如下的效果：
1)本发明所支持的校准设备不仅能提升效率和质量，还能替代目前由多个设备组成的校准系统，有效降低成本。
2)采用优化算法，可根据卫星姿态信息设定值直接回读反算出测量值并给出误差，支持卫星高轨和低轨卫星全部姿态的模拟过程。
3)型号发射数量逐年攀升，型号测试校准工作压力陡增，本发明方案将有效支持红外地敏模拟器的快速、全过程、在线校准。
附图说明
图1为现有技术中地敏模拟器校准方法。
图2为地敏模拟器校准装置信号连接图。
图3为地敏模拟器校准框图。
图4为地敏信号源时序图。
图5为地敏信号源与ch1～ch4的时序图。
图6为波形产生原理框图
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。
图2-6示出了本发明的可重构红外地球敏感器模拟器在线校准装置，其对地球敏感器模拟器进行校准，所述地球敏感器模拟器具有通用接口箱，通用接口箱是用于地敏球敏感器模拟器和测试接口的转换装置。所述在线校准装置包括单片机(例如avr)、fpga、数字调理电路以及光耦电路。其中所述单片机控制fpga产生sd(时基信号)和ref脉冲信号，所述信号经过磁耦隔离电路和数字调理电路后将信号传入地球敏感器模拟器的通用接口箱。地敏模拟器包含了卫星的姿态信息矩形波信号ch1、ch2、ch3、ch4，(地球波微分信号)，并通过通用接口箱传出，进而通过电缆及光耦电路将ch信号传入fpga。fpga根据脉冲信号的信息，结合地敏角度转换算法，反解计算出地敏角度信息。具体来说，fpga判断ch信号情况(如图5所示，ch信号分为5种情况，每种情况所包含的角度信息不同，则可以说明卫星相对于地球的位置信息)，并计算边沿时刻，解算出基于动力学设定的地敏角度值。校准装置计算设定值与解算出的角度值的差别，乘以权重系数，评定地敏模拟器可信度水平。其中单片机可通过can总线重置轨道参数。
其中，优选地，校准装置替代动力学计算机送给模拟器仿真输入信息。信息包括：俯仰角p，滚动角r，宽窄扫描ws/ns信号，探头输出异常信号inh1～inh4，地球圆盘半径ρ。所述装置支持在线调整多个参数，输出标准时基信号，自动采集不同轨道高度条件下、不同运行模式下红外地敏模拟器输出的弦宽信号进行在线校准。
如图3所示，通过校准装置上位机设置的需要校准的卫星俯仰角和滚动角信息给地敏模拟器，通过sd信号和ref信号的共同匹配比对，使得地敏模拟器产生ch信号，校准装置通过fpga采集ch信号和单片机控制反解算出ch信号中包含的地敏模拟器输出的俯仰角和滚动角的信息并与开始上位机设置的角度信息做比对运算，最终得到模型误差和信号误差。
模型误差：校准装置的设置值与地敏模拟器的回读值(通过地敏模拟器发出的携带角度信息的ch信号经fpga采集单片机反解算出角度值)进行比对，两组角度值比较做差得到的就是系统的模型误差。
信号误差:通过sd(时基信号)信号和地敏模拟器发出的ch信号上升沿和下降沿时刻在时间上会滞后或超前存在一定的时序误差，如图中δt，就是在相位上的信号波形误差。
地敏信号的时序关系如图4和图5所示。在标称轨道高度、零姿态时，根据探测器位置不同，波形输出分为五种情况，sd时基信号与五种情况生成的波形时刻图如图5所示。
如图所示，ch信号情况1：探头始终位于地球圆盘内；情况2：探头始终位于冷空间内；情况3：探头从圆盘内自西向东穿越地球圆盘右边界，之后反向再次穿越右边界回到地球圆盘内；情况4：探头从冷空间自西向东穿越地球圆盘左边界，之后反向再次穿越左边界进入冷空间；情况5：探头从冷空间自西向东依次穿越地球圆盘左边界、右边界进入冷空间，之后反向依次穿越地球圆盘右边界、左边界进入冷空间。
当红外探测器在扫描过程中遇见地球时,输出高电平信号,反之,输出低电平信号,输出高低电平时刻与滚动角r、俯仰角p、及轨道高度q,扫描周期t有关。
ch信号算法的数学表达式为：
t为扫描周期：100ms
a为扫描幅度，窄扫时为a＝6°宽扫时a＝11°。
计时起始时刻：以re信号的下降沿延时t/4作为计时起始时刻，定义：
t1为每个通道矩形波的第一次上升沿时刻；
t2为每个通道矩形波的第一次下降沿时刻；
t3为每个通道矩形波的第二次上升沿时刻；
t4为每个通道矩形波的第二次下降沿时刻。
其中所述光耦电路为高速光耦，实现采样信号与自测试设备内的电路的完全电气隔离，提升系统安全性。
优选地ref脉冲信号的电平幅度：0～-5v；脉冲频率：20hz；脉冲宽度：200μs。
优选地，sd脉冲信号为1:1的方波信号，电平幅度:0～5v；脉冲频率：10hz；
优选地，红外地球敏感器信号源输出ch1～ch4信号的电特性如下：电压：高电平10v～12v，低电平0v～0.5v；周期：100ms，±10％；上升沿、下降沿：≤2s；
其中，sd和ref波形产生原理为：
单片机以100ms为周期，向fpga发送脉冲上升沿下降沿的时间信息，fpga接收到结束指令后，立即更新脉冲状态。每一路脉冲信号在一个周期内含：第一个上升沿时间t1，第一个下降沿时间t2，第二个上升沿时间t3，第二个下降沿时间t4。脉冲共有八路，每次单片机向fpga写入32个时间值。其中，单片机采用at90can128，fpga选用xillinx公司spartan-6系列。
表1fpga地址定义
fpga以数据传送接收标志为时基，进行计时，来控制各脉冲上升下降沿的时间。每次单片机写入一组时间信息后，单片机向fpga的0x8000写入0x55，fpga检测到0x8000中数据变为0x55后，触发计时器，并在下一个fpga时钟周期将0x8000中数据清零。
脉冲以数据传送结束标识出现0x55为周期，100ms±0.1ms。设定的边沿时间t1～t4范围为0～10000，对应0～100ms。
如图6所示，fpga以数据传送接收标志为时基，进行计时，来控制各脉冲上升下降沿的时间。每次单片机写入一组时间信息后，单片机向fpga的寄存器写入二进制数，fpga检测到该寄存器中数据变为该二进制数后，触发计时器，并在下一个fpga时钟周期将寄存器中数据清零。脉冲以数据传送结束标识出现二进制数为周期，100ms±0.1ms。设定的边沿时间t1～t4范围为0～10000，对应0～100ms。
下面结合附图说明本发明方案的工作流程：
工作时，开始测试后，单片机进行上位机指令的译码后告知fpga产生sd和ref时基信号，同时通过can总线告知地敏模拟器卫星俯仰角和滚动角的信息。待地敏模拟器回传的ch信号经fpga高速采集、计时器对脉冲信号边沿计时后送给单片机进行信号的译码解算出ch信号包含的俯仰角和滚动角信息，经单片机与初始设置的卫星姿态信息进行比对将结果上传至上位机显示。
本发明采用了一种fpga+mcu的架构，通过fpga实现标准时基信号的生成以及弦宽信号的精准采集，fpga与mcu间设计了一种快速数据读取与确认机制，mcu运行解算算法直接给出滚动角、俯仰角、边沿时间等实时数据，并与接收到的设定值比较，直接给出校准结果，无需再次根据地敏算法进行复杂计算，这样可以模拟不同轨道的卫星姿态信息，可以配置卫星任意高轨和低轨的俯仰角和滚动角，兼容性好，通用化强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。