卫星频率测量系统及方法与流程

1.本发明涉及卫星控制技术领域，特别涉及一种卫星自适应的高精度频率测量系统及方法。


背景技术：

2.本卫星在轨运行时，需要根据需求对姿态按需求进行控制，在进行姿态控制时，需用闭环控制，在闭环控制时，需要姿态进行测量，作为控制的的输入，经姿控计算机处理后，送执行部件进行执行。有些敏感器或执行部件的接口为保障测量精度，采用频率接口，如国产液浮陀螺、引进的力矩动量轮等单机，因此，对频率测量的进度直接决定着卫星的控制精度的和稳定度，影响载荷任务的成败。如图1所示，需要测量的频率信号大多情况下是一个不规则的方波。现有技术采用固定时间窗口计数法，即采用定时器在固定的是时间t内对被测频率f的个数进行计数，计数值为n，则频率的测量结果f＝n/t，如图2所示。现有技术的优势是测量方法简单，对频率高测量有效，但不适用于频率低的测量情况。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种卫星频率测量系统及方法，以解决现有的频率采集及测量方法不适用于低频率信号测量的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星频率测量方法，包括：
5.确定采样范围时间；
6.一个采样周期开始，捕捉被测频率信号的每一次跳变；
7.将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变，记为第一边界时间点；
8.第一边界时间点后开始以高频采样频率进行计数，并开始对采样范围时间进行倒计时；
9.将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变，记为第二边界时间点；
10.第二边界时间点后停止计数，得到计数值，将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数记为跳变值；
11.根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值；
12.一个采样周期结束。
13.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，所述被测频率信号跳变包括被测频率信号的上升沿和/或下降沿。
14.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，
15.f＝n/t＝n/(n/f)＝f
×
n/n；
16.其中，f为被测频率信号的频率值；t为第二边界时间点与第一边界时间点的差值；n为跳变值；f为高频采样频率；n为计数值。
17.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，
18.△
f＝(f
×
n/(n
±
1)/t)/(f
×
n/n)
‑
1＝(
±
1)/n
19.其中，
△
f为被测频率信号的频率值的误差。
20.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，所述高频采样频率为8mhz～24mhz。
21.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，所述采样范围时间为10毫秒～100毫秒。
22.可选的，在所述的卫星频率测量方法中，所述被测频率信号的频率值为10hz～10khz。
23.本发明还提供一种卫星频率测量系统，包括：
24.第一寄存器，被配置为存储采样范围时间，以及
25.在第一边界时间点后开始对采样范围时间进行倒计时；
26.第一检测电路，被配置为在每个采样周期开始后，捕捉被测频率信号的每一次跳变，
27.将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变作为第一边界时间点，发送至触发模块，
28.将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变作为第二边界时间点，发送至触发模块，以及
29.将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数作为跳变值，发送至第三寄存器；
30.触发模块，被配置为根据第一边界时间点对时钟模块和计数器模块进行使能，以及
31.根据第二边界时间点对时钟模块和计数器模块进行禁止；
32.时钟模块，被配置为被使能后提供高频采样频率脉冲，被禁止后停止提供高频采样频率脉冲；
33.计数器模块，被配置为使能后若检测到一个高频采样频率脉冲则计数加1，以及被禁止后停止计数，形成计数值；
34.第二寄存器，被配置为存储计数值；
35.第二寄存器，被配置为存储跳变值；
36.处理器，被配置为根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值。
37.本发明的发明人经研究发现，当测量频率较低时，如1hz时，如果要测量到频率，理论上测量时间应不小于1秒，如在采样时间内，采样被测信号的上升沿，如下一个沿未采到，则n＝1，t＝1，得到的测量值是正确的1hz，，如下一个沿采到，则n＝2，t＝1，得到的测量值是2hz，误差相对误差为100％。即使采用下降计数为下降沿误差也在一样存在，然而，姿控的测量误差要求一般不小于0.1％，要保障测量误差小于0.1％，此时需要测采样时间应大于10000秒，显然不能满足姿控控制周期不小于2hz的需求。
38.因此，此固定时间计被测频率信号个数的测量方法，仅计数个数的误差多计或少计上升(下降)沿的个数的误差是在所难免的，而且该相对误差
△
f＝(n
±
1)/t/n/t
‑
1，即
△
f＝(n
±
1)/n
‑
1＝
±
1/n，且当测量时间t固定，被测频率信号的频率值越小，n越小，误差越大，且是固有的。
39.基于以上洞察，本发明提供了一种卫星频率测量系统及方法，针对被测频率信号的计数个数在固定的时间内有误差造成固有误差这一问题，本发明通过在每个采样周期
内，根据被测频率信号的跳变来得到第一边界时间点和第二边界时间点，第一边界时间点后开始以高频采样频率进行计数，第二边界时间点后停止计数，得到计数值，根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值，实现了计数的时间窗口采用被测信号自适应的调整，以适应被测频率信号的大小变化，消除了被测频率信号的沿计数误差，实现被测信号计数零误差，保障了频率测量的精度，本发明尤其适用于卫星资源受限的准实时嵌入系统中的对频率快速高精度地测量。
附图说明
40.图1是现有的被测频率信号示意图；
41.图2是现有的卫星频率测量方法示意图；
42.图3是本发明一实施例卫星频率测量方法示意图；
43.图4是本发明一实施例卫星频率测量系统示意图。
具体实施方式
44.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星频率测量系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
45.另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
46.本发明的核心思想在于提供一种卫星频率测量系统及方法，以解决现有的频率采集及测量方法不适用于低频率信号测量的问题。
47.为实现上述思想，本发明提供了一种卫星频率测量系统及方法，包括：第一寄存器，被配置为存储采样范围时间，以及在第一边界时间点后开始对采样范围时间进行倒计时；第一检测电路，被配置为在每个采样周期开始后，捕捉被测频率信号的每一次跳变，将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变作为第一边界时间点，发送至触发模块，将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变作为第二边界时间点，发送至触发模块，以及将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数作为跳变值，发送至第三寄存器；触发模块，被配置为根据第一边界时间点对时钟模块和计数器模块进行使能，以及根据第二边界时间点对时钟模块和计数器模块进行禁止；时钟模块，被配置为被使能后提供高频采样频率脉冲，被禁止后停止提供高频采样频率脉冲；计数器模块，被配置为使能后若检测到一个高频采样频率脉冲则计数加1，以及被禁止后停止计数，形成计数值；第二寄存器，被配置为存储计数值；第二寄存器，被配置为存储跳变值；处理器，被配置为根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值。
48.本发明的实施例的被测频率信号是一个不规则的方波，频率范围较宽，本实施例在对被测频率信号计数时，没有沿用现有技术中将计数时间固定为t0的方案，而是将t0作为采样范围时间，从检测被测频率信号(上升)沿开始对采样范围时间进行倒计时，以采样范围时间t0倒计时结束时刻作为停止计数的使能，自适应的时间窗口t(即第二边界时间点
与第一边界时间点的差值)在到达被测频率信号的上升沿时刻，才真正作为采样时间的结束时刻。
49.如图3所示，在对被测频率信号进行测试时，以被测频率信号的(上升或下降)沿作为触发，同时作为固定的采样范围时间t0和自适应的时间窗口t的开始时刻(对自适应的时间窗口t的测量采用固定频率的高频采样频率f进行计数，得到的计数值n来间接测量t)，此刻被测频率信号的(上升或下降)沿作为被测频率信号采样计数开始的触发条件和高频采样频率计数开始的触发条件；当时间到达t0时刻时，该时刻不是作为被测频率信号的计数结束条件，而是作为被测频率信号的计数结束的使能，等待被测频率信号的(上升或下降)沿作为被测频率信号的跳变值n计数结束和自适应时间窗口t结束(即高频采样频率计数结束)的触发条件，紧临的第一个被测频率信号的(上升或下降)沿的时刻是高频采样频率计数的结束时刻。
50.此时，f＝n/t＝n/(n/f)＝f
×
n/n；
51.本发明的有益效果在于：
52.首先，由于以被测频率信号的沿作为跳变值n的计数使能时刻和禁止时刻，n无测量误差。
53.其次，由于以被测频率信号的沿作为自适应时间窗口t的计数(n)使能时刻和禁止时刻，自适应时间窗口t计数的误差仅是t内高频采样频率f计数个数(n)的误差。
54.综上所述，被测频率信号的误差仅与计数值n的误差有关。
55.△
f＝(f
×
n/(n
±
1)/t)/(f
×
n/n)
‑
1＝(
±
1)/n；
56.且当自适应的时间窗口t固定，高频采样频率f固定，计数值n相对固定，误差仅与n相关；
57.由于f越大，则n越大，则相对误差越小。
58.进一步的，被测频率信号的测量值的相对误差与被测频率信号的频率值的大小变化无关。
59.在卫星应用中，高频采样频率采用24mhz参考时钟频率对被测频率信号进行测量。自适应时间窗口t为100ms内，统计24mhz参考时钟和被测频率信号的上升沿次数，从宏观时间域考虑，每个时间窗口t类似为一个时间点，通过统计参考时钟和被测频率信号在时间窗口t内的上升沿次数，再结合时间等效原理就可以算出当前被测频率信号的频率值，卫星频率测量系统设计框图如图4所示，自适应时间窗口t的使能结束由t0触发，自适应时间窗口t开始时刻与t0开始时刻同步，自适应时间窗口t结束时刻由t0结束时刻触发，在紧临的第一个被测频率信号上升沿结束。
60.此时，自适应时间窗口t为100ms，n大于2.4m，则采样频率的相对误差小于
△
f，
△
f＝(
±
1)/n＝(
±
1)/2.4m。
61.实际工程实现时，被测频率信号的频率正常范围为10～10khz，显然不会因频率的变化而影响测量相对精度(
±
1)/2.4m，优于0.1％的指标要求，当然对于正常工作范围的情况会采取相应的保护措施。
62.综上，上述实施例对卫星频率测量系统及方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容
举一反三。
63.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
64.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种卫星频率测量方法，其特征在于，包括：确定采样范围时间；一个采样周期开始，捕捉被测频率信号的每一次跳变；将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变，记为第一边界时间点；第一边界时间点后开始以高频采样频率进行计数，并开始对采样范围时间进行倒计时；将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变，记为第二边界时间点；第二边界时间点后停止计数，得到计数值，将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数记为跳变值；根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值；一个采样周期结束。2.如权利要求1所述的卫星频率测量方法，其特征在于，所述被测频率信号跳变包括被测频率信号的上升沿和/或下降沿。3.如权利要求1所述的卫星频率测量方法，其特征在于，f＝n/t＝n/(n/f)＝f
×
n/n；其中，f为被测频率信号的频率值；t为第二边界时间点与第一边界时间点的差值；n为跳变值；f为高频采样频率；n为计数值。4.如权利要求3所述的卫星频率测量方法，其特征在于，
△
f＝(f
×
n/(n
±
1)/t)/(f
×
n/n)
‑
1＝(
±
1)/n其中，
△
f为被测频率信号的频率值的误差。5.如权利要求1所述的卫星频率测量方法，其特征在于，所述高频采样频率为8mhz～24mhz。6.如权利要求1所述的卫星频率测量方法，其特征在于，所述采样范围时间为10毫秒～100毫秒。7.如权利要求1所述的卫星频率测量方法，其特征在于，所述被测频率信号的频率值为10hz～10khz。8.一种卫星频率测量系统，其特征在于，包括：第一寄存器，被配置为存储采样范围时间，以及在第一边界时间点后开始对采样范围时间进行倒计时；第一检测电路，被配置为在每个采样周期开始后，捕捉被测频率信号的每一次跳变，将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变作为第一边界时间点，发送至触发模块，将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变作为第二边界时间点，发送至触发模块，以及将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数作为跳变值，发送至第三寄存器；触发模块，被配置为根据第一边界时间点对时钟模块和计数器模块进行使能，以及根据第二边界时间点对时钟模块和计数器模块进行禁止；时钟模块，被配置为被使能后提供高频采样频率脉冲，被禁止后停止提供高频采样频
率脉冲；计数器模块，被配置为使能后若检测到一个高频采样频率脉冲则计数加1，以及被禁止后停止计数，形成计数值；第二寄存器，被配置为存储计数值；第二寄存器，被配置为存储跳变值；处理器，被配置为根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值。
技术总结
本发明提供了一种卫星频率测量系统及方法，包括：确定采样范围时间；一个采样周期开始，捕捉被测频率信号的每一次跳变；将采样周期开始后被测频率信号的第一次跳变，记为第一边界时间点；第一边界时间点后开始以高频采样频率进行计数，并开始对采样范围时间进行倒计时；将采样范围时间倒计时结束后被测频率信号的第一次跳变，记为第二边界时间点；第二边界时间点后停止计数，得到计数值，将第一边界时间点与第二边界时间点之间的被测频率信号的跳变次数记为跳变值；根据计数值和跳变值计算被测频率信号的频率值；一个采样周期结束。一个采样周期结束。一个采样周期结束。


技术研发人员：常亮 陈宏宇 陈蕞 吴会英 常建平 斯朝铭 刘婷毓 陈雯雯 冯晓雪 余尚敏
受保护的技术使用者：上海微小卫星工程中心
技术研发日：2021.03.04
技术公布日：2021/6/29