本發(fā)明屬于星敏感器，具體涉及一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、星敏感器是高精度空間飛行器的關(guān)鍵部件，主要用于測量恒星矢量在星敏感器坐標(biāo)系中的分量，通過星圖識別，并利用已知恒星的精確位置來確定空間飛行器相對于慣性坐標(biāo)系的三軸姿態(tài)。具有定位精度高，質(zhì)量小，功耗低，高度自主，并且無姿態(tài)累積誤差等優(yōu)點，是目前所有姿態(tài)敏感器中精度最高的敏感器。

2、陀螺能夠連續(xù)、實時地測量衛(wèi)星的角速度，具有較高的的短期穩(wěn)定性，可以提供衛(wèi)星動態(tài)運動的即時信息。但隨著時間推移，陀螺會累積漂移誤差，導(dǎo)致長期精度下降。

3、傳統(tǒng)星敏感器在高動態(tài)飛行條件下，如衛(wèi)星快速變軌或運載火箭上升段，易受到強(qiáng)烈振動和高速旋轉(zhuǎn)的影響，導(dǎo)致星圖識別困難，定位精度下降。雖然已有技術(shù)嘗試通過復(fù)雜算法核外部輔助設(shè)備減小這些影響，但尚未充分解決大動態(tài)范圍下的性能瓶頸。因此，迫切需要一種能直接集成高精度姿態(tài)傳感元件，增強(qiáng)抗干擾能力的星敏感器設(shè)計。

4、目前衛(wèi)星平臺常用星敏感器+陀螺組合定姿方案，但是星敏感器和陀螺均為獨立產(chǎn)品，尚無集成了星敏感器和陀螺的產(chǎn)品。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的問題是提供集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，提出一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器及其工作方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，包括星敏感器，所述星敏感器的底座上安裝有mems陀螺組合，所述mems陀螺組合包括主體結(jié)構(gòu)、三臺單軸mems陀螺，所述三臺單軸mems陀螺安裝于主體結(jié)構(gòu)的前側(cè)面、左側(cè)面和上側(cè)面，所述三臺單軸mems陀螺的安裝方向分別與星敏感器坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸重合。

4、進(jìn)一步的，所述每個單軸mems陀螺的測量軸和對應(yīng)的星敏感器的坐標(biāo)軸偏差小于0.05°。

5、進(jìn)一步的，基于mems陀螺組合采集的準(zhǔn)確的角速率信息，星敏感器實現(xiàn)精確的姿態(tài)預(yù)測和處理。

6、進(jìn)一步的，星敏感器與每臺單軸mems陀螺均采用獨立的spi通訊線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，星敏感器使用fpga實現(xiàn)與單軸mems陀螺的spi接口，并行采集三臺單軸mems陀螺的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至星敏感器中的cpu進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

7、進(jìn)一步的，單軸mems陀螺的裝調(diào)過程為：將單軸mems陀螺焊接至柔性印制板后，將單軸mems陀螺的陀螺陶瓷管殼底面粘接至主體結(jié)構(gòu)的安裝平面上；首先，粘接保證陀螺陶瓷管殼底面與主體結(jié)構(gòu)的安裝面平行，再通過高精密轉(zhuǎn)臺，標(biāo)定mems陀螺組合相對于星敏感器光軸的轉(zhuǎn)移矩陣，確認(rèn)mems陀螺組合與星敏感器的相對位置關(guān)系，對單軸mems陀螺的安裝進(jìn)行微調(diào)，直至滿足安裝精度要求。

8、一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器的工作方法，依托于所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器實現(xiàn)，包括如下步驟：

9、s1.mems陀螺組合測量星敏感器本體坐標(biāo)系三個軸上的角速率信息，并采用spi接口將采集的三個軸上的角速率信息傳輸至星敏感器；

10、s2.星敏感器基于步驟s1得到的三個軸上的角速率信息，進(jìn)行姿態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測、星圖的識別匹配和姿態(tài)的計算，再將預(yù)測的姿態(tài)和實測的姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到最終輸出的姿態(tài)信息和角速率信息。

11、進(jìn)一步的，步驟s1中設(shè)置xst、yst、zst為星敏感器的x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、z軸坐標(biāo)，xme、yme、zme為mems陀螺組合的x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、z軸坐標(biāo)。

12、進(jìn)一步的，步驟s2中預(yù)測的姿態(tài)和實測的姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

13、s2.1.設(shè)置mems陀螺組合測得的角速率估計值的表達(dá)式為：

14、

15、其中，ωg,k為第k幀mems陀螺組合輸出的角速率，分別為mems陀螺組合的第k幀x軸、y軸、z軸估計角速率，為mems陀螺組合的第k幀常值漂移的估計值；

16、s2.2.基于步驟s2.1得到的mems陀螺組合測得的角速率估計值預(yù)測下一個測量周期的姿態(tài)，表達(dá)式為：

17、

18、其中，qk為第k幀姿態(tài)，qk+1/k為預(yù)測的第k+1幀姿態(tài)，t為數(shù)據(jù)更新周期，λ為一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度，ωx，k+1為第k+1幀mems陀螺組合輸出的x軸角速率，ωy,k+1為第k+1幀mems陀螺組合輸出的y軸角速率，ωz,k+1為第k+1幀mems陀螺組合輸出的z軸角速率；

19、

20、s2.3.設(shè)置狀態(tài)量為其中qe為誤差四元數(shù)，δd為陀螺漂移誤差；

21、s2.4.設(shè)置狀態(tài)量初值x0＝06*1，狀態(tài)協(xié)方差初值p0＝1*10-10i6*6，陀螺常值漂移初值進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測、量測更新與狀態(tài)修正，融合得到更新的狀態(tài)量，表達(dá)式為：

22、

23、其中，xk+1為第k+1幀的狀態(tài)量，qe,k+1為第k+1幀的誤差四元數(shù)，δdk+1為第k+1幀的零偏誤差；

24、然后對估計的姿態(tài)和陀螺漂移進(jìn)行修正；

25、

26、其中qk+1為第k+1幀的姿態(tài)，為mems陀螺組合的第k+1幀常值漂移的估計值。

27、進(jìn)一步的，針對溫度變化對mems陀螺組合和星敏感器光學(xué)組件性能的影響，選用材料鋁基碳化硅制作星敏感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、mems陀螺組合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體致冷器及基于脈寬調(diào)制的pid控制方法控制致冷器，從而實現(xiàn)對安裝面的高精度溫度控制，確保星敏感器在不同溫度域下保持穩(wěn)定的工作性能。

28、本發(fā)明的有益效果：

29、本發(fā)明所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，數(shù)據(jù)融合處理在星敏感器中實現(xiàn)，無需額外的硬件設(shè)備分別接收星敏感器和mems陀螺的數(shù)據(jù)再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

30、本發(fā)明所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，通過星敏感器與mems陀螺的集成，在產(chǎn)品內(nèi)部實現(xiàn)了星敏感器與陀螺的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高精度與穩(wěn)定度。

31、本發(fā)明所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，集成產(chǎn)品減少了對外部輔助設(shè)備的依賴，在產(chǎn)品內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和處理，增強(qiáng)了自主性。

32、本發(fā)明所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，集成產(chǎn)品可以通過內(nèi)部優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理算法快速響應(yīng)姿態(tài)變化，提高了響應(yīng)速度和靈活性。

33、本發(fā)明所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，減少產(chǎn)品體積、重量與功耗，實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和低成本化設(shè)計。

技術(shù)特征：

1.一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，其特征在于，包括星敏感器(1)，所述星敏感器(1)的底座上安裝有mems陀螺組合，所述mems陀螺組合包括主體結(jié)構(gòu)(4)、三臺單軸mems陀螺(5)，所述三臺單軸mems陀螺(5)安裝于主體結(jié)構(gòu)(4)的前側(cè)面、左側(cè)面和上側(cè)面，所述三臺單軸mems陀螺(5)的安裝方向分別與星敏感器(1)坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸重合。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，其特征在于，所述每個單軸mems陀螺(5)的測量軸和對應(yīng)的星敏感器(1)的坐標(biāo)軸偏差小于0.05°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，其特征在于，基于mems陀螺組合采集的準(zhǔn)確的角速率信息，星敏感器(1)實現(xiàn)精確的姿態(tài)預(yù)測和處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，其特征在于，星敏感器(1)與每臺單軸mems陀螺(5)均采用獨立的spi通訊線(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，星敏感器(1)使用fpga實現(xiàn)與單軸mems陀螺(5)的spi接口，并行采集三臺單軸mems陀螺(5)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至星敏感器(1)中的cpu進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器，其特征在于，單軸mems陀螺(5)的裝調(diào)過程為：將單軸mems陀螺(5)焊接至柔性印制板后，將單軸mems陀螺(5)的陀螺陶瓷管殼底面粘接至主體結(jié)構(gòu)(4)的安裝平面上；首先，粘接保證陀螺陶瓷管殼底面與主體結(jié)構(gòu)(4)的安裝面平行，再通過高精密轉(zhuǎn)臺，標(biāo)定mems陀螺組合相對于星敏感器(1)光軸的轉(zhuǎn)移矩陣，確認(rèn)mems陀螺組合與星敏感器(1)的相對位置關(guān)系，對單軸mems陀螺(5)的安裝進(jìn)行微調(diào)，直至滿足安裝精度要求。

6.一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器的工作方法，依托于權(quán)利要求1-5之一所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器實現(xiàn)，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器的工作方法，其特征在于，步驟s1中設(shè)置xst、yst、zst為星敏感器的x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、z軸坐標(biāo)，xme、yme、zme為mems陀螺組合的x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、z軸坐標(biāo)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器的工作方法，其特征在于，步驟s2中預(yù)測的姿態(tài)和實測的姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種集成高精度mems陀螺的大動態(tài)星敏感器的工作方法，其特征在于，針對溫度變化對mems陀螺組合和星敏感器光學(xué)組件性能的影響，選用材料鋁基碳化硅制作星敏感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、mems陀螺組合的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體致冷器及基于脈寬調(diào)制的pid控制方法控制致冷器，從而實現(xiàn)對安裝面的高精度溫度控制，確保星敏感器在不同溫度域下保持穩(wěn)定的工作性能。

技術(shù)總結(jié)
一種集成高精度MEMS陀螺的大動態(tài)星敏感器及其工作方法，屬于星敏感器技術(shù)領(lǐng)域。為提供集成高精度MEMS陀螺的大動態(tài)星敏感器，本發(fā)明包括星敏感器，所述星敏感器的底座上安裝有MEMS陀螺組合，所述MEMS陀螺組合包括主體結(jié)構(gòu)、三臺單軸MEMS陀螺，所述三臺單軸MEMS陀螺安裝于主體結(jié)構(gòu)的前側(cè)面、左側(cè)面和上側(cè)面，所述三臺單軸MEMS陀螺的安裝方向分別與星敏感器坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸重合。本發(fā)明在產(chǎn)品內(nèi)部實現(xiàn)了星敏感器與陀螺的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高精度與穩(wěn)定度；數(shù)據(jù)融合處理在星敏感器中實現(xiàn)，集成產(chǎn)品減少了對外部輔助設(shè)備的依賴，在產(chǎn)品內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和處理，增強(qiáng)了自主性；提高了響應(yīng)速度和靈活性；減少產(chǎn)品體積。

技術(shù)研發(fā)人員：毛曉楠,汪洪源,周琦,馬有為,徐洋波
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9