專利名稱：深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自主導(dǎo)航仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，特別是一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自主導(dǎo)航技術(shù)是指衛(wèi)星在不依賴地面系統(tǒng)支持的情況下，僅依靠星載測量設(shè)備在軌實(shí)時地確定衛(wèi)星的位置和速度，也稱自主軌道確定。對于衛(wèi)星系統(tǒng)來講，自主導(dǎo)航有利于降低衛(wèi)星對地面的依賴程度，提高系統(tǒng)生存能力，在無地面測控站支持的情況下，仍能完成 軌道的確定和保持，這對衛(wèi)星自主生存來講具有非常重要的意義。此外，自主導(dǎo)航還可以有效減輕地面測控站的負(fù)擔(dān)，降低地面支持成本，從而降低整個航天計劃的研制費(fèi)用。自主導(dǎo)航是衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)自主控制的基本前提和基礎(chǔ)，也是構(gòu)造星座、天基組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。深空探測器處于星際飛行，相比地球衛(wèi)星和月球探測器，深空探測器面臨星地距離遠(yuǎn)、時延大和長時間日凌等問題，深空探測器對GNC的自主性提出了更高要求。由于直接進(jìn)行飛行試驗(yàn)成本高、風(fēng)險大，采用地面設(shè)備構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行半物理仿真試驗(yàn)研究是必要的過程，目前國內(nèi)沒有建立有關(guān)深空探測的自主導(dǎo)航地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。國內(nèi)對深空探測自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了很多研究，如王大軼、黃翔宇在2009年6月第35卷第3期空間控制技術(shù)與應(yīng)用上發(fā)表的“深空探測自主導(dǎo)航與控制技術(shù)綜述”一文，介紹了深空探測自主導(dǎo)航相關(guān)研究進(jìn)展，但其中并未涉及相應(yīng)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了硬件在回路內(nèi)的基于真實(shí)測量過程的仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，可以有效地在地面驗(yàn)證深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括導(dǎo)航敏感器、星敏感器、天體模擬器、動態(tài)恒星模擬器、三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺、姿態(tài)軌道仿真器、導(dǎo)航計算機(jī)和控制計算機(jī)；導(dǎo)航敏感器安裝在三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺上，通過第一遮光罩與天體模擬器對接，星敏感器通過第二遮光罩與動態(tài)恒星模擬器對接，遮光罩用來避免實(shí)驗(yàn)室雜光干擾；姿態(tài)軌道仿真器分別與導(dǎo)航計算和控制計算機(jī)連接，導(dǎo)航計算機(jī)分別與導(dǎo)航敏感器和星敏感器連接，控制計算機(jī)分別與天體模擬器、動態(tài)恒星模擬器和三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺連接；姿態(tài)軌道仿真器根據(jù)深空探測器接近過程的動力學(xué)模型，產(chǎn)生基準(zhǔn)姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別發(fā)送到控制計算機(jī)和導(dǎo)航計算機(jī)；所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，所述軌道數(shù)據(jù)包括深空探測器在目標(biāo)天體慣性坐標(biāo)系的位置矢量和速度矢量；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的軌道數(shù)據(jù)計算出導(dǎo)航敏感器視場內(nèi)目標(biāo)天體的大小特征參數(shù)，并將導(dǎo)航敏感器視場內(nèi)目標(biāo)天體的大小特征參數(shù)發(fā)送到天體模擬器；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)、恒星星表計算出背景恒星的亮度及在星敏感器視場內(nèi)的恒星幾何關(guān)系光學(xué)特征參數(shù)，并將背景恒星的亮度及星敏感器視場內(nèi)的恒星幾何關(guān)系光學(xué)特征參數(shù)發(fā)送到動態(tài)恒星模擬器；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)生成姿態(tài)角和姿態(tài)角速度參數(shù)，并將姿態(tài)角和姿態(tài)角速度參數(shù)發(fā)送到三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺；天體模擬器通過目標(biāo)天體的大小變化來模擬深空探測器和目標(biāo)天體之間的位置變化；恒星模擬器通過背景恒星亮度及恒星幾何關(guān)系來模擬深空探測器相對慣性空間的姿態(tài)變化；三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺通過轉(zhuǎn)動來模擬深空探測器平臺的姿態(tài)擾動；導(dǎo)航敏感器對天體模擬器進(jìn)行光學(xué)成像，得到目標(biāo)天體方向矢量和目標(biāo)天體視半徑；星敏感器對動態(tài)恒星模擬器進(jìn)行光學(xué)成像，得到深空探測器慣性姿態(tài)；導(dǎo)航計算機(jī)采集導(dǎo)航敏感器和星敏感器的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)航濾波計算，得到深空探測器的位置估計值和速度估計值，最后與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對得到導(dǎo)航精度。所述深空探測器接近過程的動力學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于它包括導(dǎo)航敏感器、星敏感器、天體模擬器、動態(tài)恒星模擬器、三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺、姿態(tài)軌道仿真器、導(dǎo)航計算機(jī)和控制計算機(jī)；導(dǎo)航敏感器安裝在三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺上，通過第一遮光罩與天體模擬器對接，星敏感器通過第二遮光罩與動態(tài)恒星模擬器對接，遮光罩用來避免實(shí)驗(yàn)室雜光干擾；姿態(tài)軌道仿真器分別與導(dǎo)航計算和控制計算機(jī)連接，導(dǎo)航計算機(jī)分別與導(dǎo)航敏感器和星敏感器連接，控制計算機(jī)分別與天體模擬器、動態(tài)恒星模擬器和三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺連接；姿態(tài)軌道仿真器根據(jù)深空探測器接近過程的動力學(xué)模型，產(chǎn)生基準(zhǔn)姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別發(fā)送到控制計算機(jī)和導(dǎo)航計算機(jī)；所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，所述軌道數(shù)據(jù)包括深空探測器在目標(biāo)天體慣性坐標(biāo)系的位置矢量和速度矢量；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的軌道數(shù)據(jù)計算出導(dǎo)航敏感器視場內(nèi)目標(biāo)天體的大小特征參數(shù)，并將導(dǎo)航敏感器視場內(nèi)目標(biāo)天體的大小特征參數(shù)發(fā)送到天體模擬器；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)、恒星星表計算出背景恒星的亮度及在星敏感器視場內(nèi)的恒星幾何關(guān)系光學(xué)特征參數(shù)，并將背景恒星的亮度及星敏感器視場內(nèi)的恒星幾何關(guān)系光學(xué)特征參數(shù)發(fā)送到動態(tài)恒星模擬器；控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)生成姿態(tài)角和姿態(tài)角速度參數(shù)，并將姿態(tài)角和姿態(tài)角速度參數(shù)發(fā)送到三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺；天體模擬器通過目標(biāo)天體的大小變化來模擬深空探測器和目標(biāo)天體之間的位置變化；恒星模擬器通過背景恒星亮度及恒星幾何關(guān)系來模擬深空探測器相對慣性空間的姿態(tài)變化；三軸機(jī)械轉(zhuǎn)臺通過轉(zhuǎn)動來模擬深空探測器平臺的姿態(tài)擾動；導(dǎo)航敏感器對天體模擬器進(jìn)行光學(xué)成像，得到目標(biāo)天體方向矢量和目標(biāo)天體視半徑；星敏感器對動態(tài)恒星模擬器進(jìn)行光學(xué)成像，得到深空探測器慣性姿態(tài)；導(dǎo)航計算機(jī)采集導(dǎo)航敏感器和星敏感器的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)航濾波計算，得到深空探測器的位置估計值和速度估計值，最后與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對得到導(dǎo)航精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述深空探測器接近過程的動力學(xué)模型為 r = -^f-r + R(t,r,r) r 其中r、r、i=分別代表t時刻深空探測器在目標(biāo)天體慣性系中的位置、速度和加速度矢量，μ m為目標(biāo)天體引力常數(shù)；上述公式等號右邊第一項為目標(biāo)天體中心引力項，第二項為其它攝動力項，其它攝動力項包括目標(biāo)天體非球形引力攝動、日月第三體引力攝動和太陽光壓攝動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的軌道數(shù)據(jù)計算出導(dǎo)航敏感器視場內(nèi)目標(biāo)天體的大小特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)如下 由深空探測器軌道數(shù)據(jù)(X，Y, Z)求得深空探測器指向目標(biāo)天體距離r = *2+/+z2，目標(biāo)天體大小即為從深空探測器上觀測目標(biāo)天體的視張角P，則 P = arc sin(— V 其中Rm為目標(biāo)天體半徑；X，1，Z分別代表深空探測器在目標(biāo)天體慣性系的三維位置坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述控制計算機(jī)根據(jù)深空探測器的姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)、恒星星表計算出背景恒星的亮度及在星敏感器視場內(nèi)的恒星幾何關(guān)系光學(xué)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)如下 由深空探測器軌道數(shù)據(jù)得到目標(biāo)天體慣性系到深空探測器軌道系的轉(zhuǎn)換矩陣 "，由深空探測器姿態(tài)數(shù)據(jù)得到深空探測器軌道系到深空探測器本體系的轉(zhuǎn)換矩陣Q4，由導(dǎo)航敏感器的安裝方式得到深空探測器本體系到導(dǎo)航敏感器測量系的轉(zhuǎn)換矩陣
全文摘要
一種深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，導(dǎo)航敏感器安裝在轉(zhuǎn)臺上與天體模擬器對接，星敏感器與動態(tài)恒星模擬器對接，姿態(tài)軌道仿真器生成深空探測器基準(zhǔn)姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)并發(fā)送到控制計算機(jī)和導(dǎo)航計算機(jī)，控制計算機(jī)驅(qū)動天體模擬器、動態(tài)恒星模擬器及轉(zhuǎn)臺運(yùn)動，天體模擬器模擬深空探測器和目標(biāo)天體的位置變化，動態(tài)恒星模擬器模擬深空探測器慣性姿態(tài)變化，轉(zhuǎn)臺模擬深空探測器姿態(tài)擾動，導(dǎo)航計算機(jī)采集導(dǎo)航敏感器和星敏感器測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)航濾波計算，最后與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對得到自主導(dǎo)航精度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了硬件在回路內(nèi)的基于敏感器真實(shí)測量數(shù)據(jù)的半物理仿真試驗(yàn)，可以有效地在地面驗(yàn)證深空探測接近過程的光學(xué)成像自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。
文檔編號G01C25/00GK102879014SQ20121040905
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者黃翔宇, 張斌, 王大軼, 魏春嶺, 唐強(qiáng), 朱志斌 申請人:北京控制工程研究所