一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于卫星测试技术领域，特别是涉及一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统及测试方法。


背景技术：

2.卫星激光通信载荷在轨标校手段主要包括对地标校、双端星间标校、恒星标校，对地标校是激光通信载荷在激光地面站的可见区域指向激光地面站完成在轨标校；双端星间标校是两个卫星的激光通信载荷在轨相互指向完成在轨标校。恒星标校相比于借助激光地面站标校和在轨双星同时在测控弧段内的发送指令进行的星间标校，效率大幅度提升，并可以实现全天候、全时段、全空域的在轨标校。
3.目前现有激光通信载荷在轨恒星标校的地面测试方法及系统都是在室内完成，测试时会应用到星上单机和模拟试验设备，并通过仿真软件计算出恒星的位置输入给激光通信载荷，激光通信载荷根据位置信息进行恒星的指向，根据激光转台的转动角度得到指向恒星时的方位和俯仰角度之后再带入仿真软件中验证指向的正确性，这种测试方法不具备修正角度正确性的验证条件，也不能够验证激光通信载荷对不同星等恒星进行实际标校的能力，无法闭环完成整个恒星标校流程的测试。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决星载激光通信载荷在地面如何进行在轨恒星标的验证测试，固化标校流程，保证在轨标校的顺利进行的问题，提出了一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统及测试方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统，所述测试系统分为星上部分和地面部分，星上部分用来模拟激光通信载荷在轨标校时卫星上的状态，地面部分模拟在轨标校时地面运控中心的状态；星上部分包括导航接收机，用来获取测试系统所在位置在惯性坐标系下的位置坐标；星敏和激光通信载荷安装在同一个支架上，并在测试前标定星敏坐标系和激光坐标系的关系，即激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m；星敏用来得到安装支架的姿态矩阵a，即星敏本体坐标系相对于惯性下的转换矩阵；所述星上部分还包括模拟中心机，所述模拟中心机为星上综合处理系统的模拟设备，用来给激光通信载荷发送信息和指令，同时可以接收激光通信载荷的状态信息发送给地检设备；地面部分包括地检设备，用来模拟地面运控中心将恒星位置发送给模拟中心机，模拟中心机将接收到的恒星位置信息、导航接收机位置信息和星敏的姿态信息一并组成激光通信载荷可用的激光广播帧发送给激光通信载荷；所述地面部分还包括成像设备，所述成像设备可以通过地检设备接收到的激光通信载荷恒星指向信息进行恒星图像在激光视场内的显示，有助于直观观测。
6.本发明提出一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法，所述测试方法具体为：
7.s1：参试设备按照设备连接示意图连接；
8.s2：选定目标恒星，并将恒星的位置信息输入给模拟中心机；
9.s3：模拟中心机采集信息，组帧发给激光通信载荷；
10.s4：激光通信载荷指向目标恒星；
11.s5：判断恒星是否在激光视场内；如果恒星在激光视场内，则执行步骤s7；如果恒星不在激光视场内，则执行步骤s6；
12.s6：激光通信载荷进行扫描，至捕获跟踪恒星；
13.s7：解算修正矩阵；
14.s8：修正矩阵通过地检上注给激光通信载荷，再次进行恒星标较。
15.进一步地，在步骤s2中，根据提前选取的激光通信载荷的可视恒星，并结合当前测试地点对恒星的可见情况进行目标恒星的选取，选完目标恒星后，将恒星在惯性系下的位置坐标通过地检设备输入给模拟中心机。
16.进一步地，在步骤s4中，激光通信载荷根据接收到的激光广播帧中的位置信息进行目标恒星指向角度的计算，按照标校原理计算出转台需要转动的方位角和俯仰角，按照计算角度控制转台指向恒星。
17.进一步地，在步骤s5中，按照理论计算角度控制转台指向，模拟中心机将激光通信载荷的状态信息发送给地检设备，地检设备判断恒星是否进入了激光的视场范围；成像设备通过图像确认恒星是否在激光视场内。
18.进一步地，在步骤s6中，恒星不在激光通信载荷捕跟视场内，则通过地检设备向模拟中心机发送激光通信载荷扫描指令，模拟中心机接到指令后转给激光通信载荷，激光通信载荷接到指令后进行扫描，至激光视场内捕获目标恒星后停止扫描，进行目标恒星跟踪。
19.进一步地，在步骤s7中，地面利用稳定跟踪目标恒星后的实际指向角度与理论计算的角度进行对比解算，修正激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m。
20.进一步地，在步骤s8中，将修正后的矩阵m通过地检设备上注给激光通信载荷，激光通信载荷更新矩阵后再次对同一目标恒星进行恒星标校，如果激光通信载荷再次指向恒星后，视场内可以直接观测到恒星，则修正矩阵准确，否则继续选取另一个恒星进行如上标校流程，直到修正矩阵收敛。
21.本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法的步骤。
22.本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法的步骤。
23.本发明具有以下有益效果：
24.(1)本发明的测试方法及系统可以实现激光通信载荷在轨恒星标校完整流程的测试，相比于现有的激光通信载荷恒星标校地面测试方法及系统无法进行修正矩阵或修正角度的正确性验证的情况，本发明可以在解算出修正矩阵或角度之后实际对目标恒星进行重新指向，根据恒星在激光通信载荷捕跟视场内的位置判断修正值的正确性。
25.(2)本发明的测试方法及系统可以实际验证激光通信载荷恒星标校的可视星等，相比于现有的激光通信载荷恒星标校地面测试方法及系统无法进行恒星实际标校的情况，
本发明可以在可视恒星星等选取后实际的去对恒星进行指向标校，验证激光通信载荷对不同星等的恒星进行标校的能力，有益于在轨进行恒星标校时的恒星选取。
附图说明
26.图1为本发明所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统设备连接示意图；
27.图2为本发明所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试方法流程图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明重在解决星载激光通信载荷在地面如何进行在轨恒星标的验证测试，固化标校流程，保证在轨标校的顺利进行。卫星在入轨后，由于重力卸载和热变形等影响，会导致激光通信载荷指向不确定区域增大的问题。因此需要通过在轨标校方法修正初始指向偏差，缩小不确定区域，缩短捕获建链时间。由于恒星位置固定，距离地球遥远，可以看成是一个理想的点光源，激光通信载荷可以通过在轨恒星标校对激光终端初始指向进行修正。
30.通过本发明的一种星载激光通信载荷地面恒星标校的测试方法及系统可以对激光通信载荷恒星标校提前进行地面测试来验证标校的可行性，提前选定可标校的恒星，在地面将整个标校流程进行固化，最终保证整个恒星标校能够在轨顺利进行。
31.本发明的标校原理如下：
32.目标恒星和地面测试系统位置坐标统一在惯性坐标系下，分别为和该坐标信息由模拟中心机提供。
33.安装支架姿态矩阵描述为星敏本体坐标系相对与惯性下的转换矩阵，结合安装支架的姿态矩阵a和激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m，将目标相对于地面测试系统的观测矢量转换到激光转台坐标系下，如下式所示:
[0034][0035]
其中a为星敏本体坐标系相对与惯性下的转换矩阵，由星敏直接提供。
[0036]
激光转台方位顺时针旋转为正，俯仰抬头为正，要使转台指向目标，则转台需要转动的方位角和俯仰角分别为：
[0037]
[0038][0039]
按照理论计算角度控制转台指向，如果恒星在激光终端捕跟视场内，则直接进行捕获跟踪，如果不在视场内则进行扫描至捕获，利用稳定跟踪后的实际指向角度修正激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m，缩小不确定区域。为提高修正精度，可选择不同满足条件的恒星进行多次拟合修正。
[0040]
结合图1-图2，本发明提出一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统，所述测试系统分为星上部分和地面部分，星上部分用来模拟激光通信载荷在轨标校时卫星上的状态，地面部分模拟在轨标校时地面运控中心的状态；星上部分包括导航接收机，用来获取测试系统所在位置在惯性坐标系下的位置坐标；星敏和激光通信载荷安装在同一个支架上，并在测试前标定星敏坐标系和激光坐标系的关系，即激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m；星敏用来得到安装支架的姿态矩阵a，即星敏本体坐标系相对于惯性下的转换矩阵；所述星上部分还包括模拟中心机，所述模拟中心机为星上综合处理系统的模拟设备，用来给激光通信载荷发送信息和指令，同时可以接收激光通信载荷的状态信息发送给地检设备；地面部分包括地检设备，用来模拟地面运控中心将恒星位置发送给模拟中心机，模拟中心机将接收到的恒星位置信息、导航接收机位置信息和星敏的姿态信息一并组成激光通信载荷可用的激光广播帧发送给激光通信载荷；所述地面部分还包括成像设备，所述成像设备可以通过地检设备接收到的激光通信载荷恒星指向信息进行恒星图像在激光视场内的显示，有助于直观观测。
[0041]
本发明提出一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法，所述测试方法具体为：
[0042]
s1：参试设备按照设备连接示意图连接；
[0043]
所有参与恒星标校的试验设备按照图1的测试系统设备连接示意图进行连接，连接好后检查设备的状态，检验好后开始进行恒星标校。
[0044]
s2：选定目标恒星，并将恒星的位置信息输入给模拟中心机；
[0045]
在步骤s2中，根据提前选取的激光通信载荷的可视恒星，并结合当前测试地点对恒星的可见情况进行目标恒星的选取，选完目标恒星后，将恒星在惯性系下的位置坐标通过地检设备输入给模拟中心机。
[0046]
s3：模拟中心机采集信息，组帧发给激光通信载荷；
[0047]
模拟中心机为星上综合处理系统的模拟设备，用来给激光通信载荷发送信息和指令，同时可以接收激光通信载荷的状态发送给地检设备。模拟中心机将接收到的恒星位置信息、导航接收机位置信息和星敏的姿态信息一并组成激光通信载荷可用的激光广播帧发送给激光通信载荷。
[0048]
s4：激光通信载荷指向目标恒星；
[0049]
在步骤s4中，激光通信载荷根据接收到的激光广播帧中的位置信息进行目标恒星指向角度的计算，按照标校原理计算出转台需要转动的方位角和俯仰角，按照计算角度控制转台指向恒星。
[0050]
s5：判断恒星是否在激光视场内；如果恒星在激光视场内，则执行步骤s7；如果恒星不在激光视场内，则执行步骤s6；
[0051]
在步骤s5中，按照理论计算角度控制转台指向，模拟中心机将激光通信载荷的状态信息发送给地检设备，地检设备判断恒星是否进入了激光的视场范围；成像设备通过图像确认恒星是否在激光视场内。
[0052]
s6：激光通信载荷进行扫描，至捕获跟踪恒星；
[0053]
在步骤s6中，恒星不在激光通信载荷捕跟视场内，则通过地检设备向模拟中心机发送激光通信载荷扫描指令，模拟中心机接到指令后转给激光通信载荷，激光通信载荷接到指令后进行扫描，至激光视场内捕获目标恒星后停止扫描，进行目标恒星跟踪。
[0054]
s7：解算修正矩阵；
[0055]
在步骤s7中，地面利用稳定跟踪目标恒星后的实际指向角度与理论计算的角度进行对比解算，修正激光转台相对于星敏本体坐标系下的转换矩阵m。
[0056]
s8：修正矩阵通过地检上注给激光通信载荷，再次进行恒星标较。
[0057]
在步骤s8中，将修正后的矩阵m通过地检设备上注给激光通信载荷，激光通信载荷更新矩阵后再次对同一目标恒星进行恒星标校，如果激光通信载荷再次指向恒星后，视场内可以直接观测到恒星，则修正矩阵准确，否则继续选取另一个恒星进行如上标校流程，直到修正矩阵收敛。
[0058]
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以图1为本发明的具体实施例进行说明，根据激光通信载荷的可视恒星星等选取好目标恒星，并在挑选的室外试验地点进行设备的连接和检查。测试开始时，星上设备和地面设备上电检查状态，并确认星上部分与地面部分的信息传输正常。地检设备将目标恒星相对与惯性系下的位置信息、导航接收机将试验设备所在位置在惯性系下的位置信息和星敏将安装支架的姿态信息都发送给模拟中心机，模拟中心机将以上信息组成激光广播帧发送给激光通信载荷。
[0059]
激光通信载荷接收到激光广播帧后会依据标校原理进行指向目标恒星的激光转台指向角度计算，即转台的方位角和俯仰角。激光通信载荷指向目标恒星，同时将指向信息发送给模拟中心机，模拟中心机再组帧发送给地检设备，地检设备根据指向信息判断恒星是否在激光的捕获视场内，同时成像设备也可以进行目标恒星在视场内的成像，便于直接观察。如果目标恒星在激光通信载荷的视场内，则直接进行修正矩阵的解算；如果目标恒星不在激光通信载荷的视场内，地检设备向模拟中心机发送激光通信载荷扫描指令，模拟中心机接到指令后转给激光通信载荷，激光通信载荷接到指令进行扫描，至激光视场内捕获目标恒星后停止扫描，进行目标恒星跟踪。
[0060]
地面根据激光通信载荷视场内的目标恒星位置进行修正矩阵的解算后，将修正后的矩阵m通过地检设备上注给激光通信载荷，激光通信载荷更新矩阵后再次对同一目标恒信进行恒星标校，如果激光通信载荷再次指向恒星后，视场内可以直接观测到恒星，则修正矩阵准确，否则继续选取另一个恒星进行如上标校流程，直到修正矩阵收敛。
[0061]
综上所述，本发明的一种星载激光通信载荷地面恒星标校的测试方法及系统具有方法新颖，系统实用性高，并且本发明所述方法及系统具有很强的通用性，可广泛应用于解决星载激光通信载荷如何在地面进行恒星标校测试。
[0062]
本发明的一个创新点在于激光通信载荷恒星标校地面测试方法上的创新，本发明
所述方法不再只限于室内通过模拟仿真恒星位置进行指向验证，而是根据恒星的星等和室外测试地点对恒星的可见度去进行实际标校测试，测试方法是以往激光通信载荷没有过的，方法新颖。
[0063]
本发明的另一个创新点在于激光通信载荷恒星标校地面测试系统结构上的创新，测试系统分为星上和地面两部分，星上部分模拟卫星载荷在轨恒星标校时的卫星状态，用安装支架模拟卫星上星敏与激光通信载荷的相对安装位置关系，地面部分模拟标校时的地面状态，整个测试系统可以完全模拟激光通信载荷实际在轨进行恒星标校时状态和验证标校的全流程。
[0064]
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法的步骤。
[0065]
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统的测试方法的步骤。
[0066]
本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0067]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，ssd))等。
[0068]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者
软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
[0069]
应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0070]
以上对本发明所提出的一种星载激光通信载荷地面恒星标校测试系统及测试方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。