基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其自主導(dǎo)航方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其自主導(dǎo)航方法。本發(fā)明在傳統(tǒng)的空間激光通信端機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了星體捕獲系統(tǒng)，從而能夠識(shí)別恒星以及行星或其衛(wèi)星并獲得方位信息，通過(guò)計(jì)算恒星-航天器-行星(或其衛(wèi)星)之間的夾角，最終獲得航天器自身的位置信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航過(guò)程。本發(fā)明不需要再采用一套額外的自主導(dǎo)航裝置，空間激光通信端機(jī)自身就可以獲得導(dǎo)航信息，節(jié)省了相關(guān)的研發(fā)、發(fā)射和運(yùn)行的費(fèi)用，減小了航天器有效載荷的體積、重量和功耗；有利于提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能；根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果為深空探測(cè)提供近乎實(shí)時(shí)地進(jìn)行飛行軌道校正，不但可以消除星地之間的信號(hào)往返延遲，也可以省去地面數(shù)據(jù)處理。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其自主導(dǎo)航方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器自主導(dǎo)航技術(shù)，尤其涉及一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其自主導(dǎo)航方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天技術(shù)和深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)航天器導(dǎo)航的性能要求也越來(lái)越高。航天器的自主導(dǎo)航因?yàn)榫哂袑?shí)時(shí)性、成本低和生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的普遍重視。早在二十世紀(jì)70年代，LeMay將航天器自主導(dǎo)航裝置概括為以下四種特征:(1)自主控制；(2)實(shí)時(shí)操作；(3)不借助于與其它星體的通信；(4)不依賴(lài)地面站。航天器的自主導(dǎo)航就是依賴(lài)星載設(shè)備和技術(shù)，實(shí)時(shí)為在軌航天器提供精準(zhǔn)的軌道及姿態(tài)參數(shù)，它不僅是航天器自主性的一個(gè)重要方面，而且對(duì)于航天器在軌生存能力及擴(kuò)展其在空間應(yīng)用能力都具有非常重要的意義。隨著各種面向復(fù)雜應(yīng)用背景的高精度傳感器大量涌現(xiàn)，航天器自主導(dǎo)航技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，其技術(shù)途徑主要包括:(1)天文導(dǎo)航；(2)地磁場(chǎng)導(dǎo)航；(3)導(dǎo)航星導(dǎo)航；(4)星間相對(duì)測(cè)量導(dǎo)航。與導(dǎo)航星導(dǎo)航和星間相對(duì)測(cè)量相比，天文導(dǎo)航是一種完全自主的導(dǎo)航。
[0003]天文導(dǎo)航的主要方法是利用星敏感器、太陽(yáng)敏感器、地球敏感器、磁強(qiáng)計(jì)、激光高度計(jì)等儀器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能，這種方法的特征是需要采用專(zhuān)門(mén)的、獨(dú)立的設(shè)備，其后果無(wú)疑是增加了航天器整體的成本、體積、重量和功耗，以及發(fā)射和維護(hù)的費(fèi)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及其自主導(dǎo)航方法，在通信端機(jī)中融入導(dǎo)航功能，從而不必增加額外的導(dǎo)航設(shè)備，而具有自主導(dǎo)航功能。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括:光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、精瞄裝置、信標(biāo)光裝置、分光光路、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置、星體捕獲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和航天器平臺(tái)接口 ；其中，粗瞄機(jī)械指向裝置連接至光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，控制其對(duì)準(zhǔn)空間方位；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采集到的入射光束通過(guò)精瞄轉(zhuǎn)鏡，經(jīng)分光光路，一路光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)，另一路進(jìn)入發(fā)射接收標(biāo)定裝置；信標(biāo)光裝置、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置和星體捕獲系統(tǒng)分別與控制系統(tǒng)相連接；控制系統(tǒng)與航天器平臺(tái)接口相連接；星體捕獲系統(tǒng)捕獲并識(shí)別恒星，并獲得恒星的方位信息，以及捕獲某行星或其衛(wèi)星并獲得其中心方位信息。
[0007]本發(fā)明的自主導(dǎo)航系統(tǒng)具有兩種工作模式，一種是導(dǎo)航模式，一種是空間激光通信模式。當(dāng)自主導(dǎo)航系統(tǒng)處于導(dǎo)航模式時(shí)，粗瞄機(jī)械指向裝置在控制系統(tǒng)的控制下，將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)空間的某一方向，星體捕獲系統(tǒng)的視場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)多顆(三顆以上)恒星，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將恒星發(fā)出的光束進(jìn)行會(huì)聚，變?yōu)檎馐?；精瞄裝置根據(jù)發(fā)射接收標(biāo)定裝置中的精瞄接收裝置給出的入射光斑方位信息，對(duì)入射光束進(jìn)行跟蹤對(duì)準(zhǔn)，以補(bǔ)償航天器平臺(tái)的振動(dòng)所帶來(lái)的入射光束的抖動(dòng)；經(jīng)過(guò)分光光路后入射光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)中；星體捕獲系統(tǒng)對(duì)恒星進(jìn)行識(shí)別；然后，再控制粗瞄機(jī)械指向裝置將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一顆行星或其衛(wèi)星，通過(guò)對(duì)行星或其衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理，利用邊緣檢測(cè)、擬合、求質(zhì)心等方法，獲得行星或其衛(wèi)星的中心方位信息；最后，選擇一顆已識(shí)別的恒星與航天器連接得到一直線(xiàn)，再將行星或其衛(wèi)星的中心與航天器連接，得到另外一條直線(xiàn)，根據(jù)這兩個(gè)直線(xiàn)的夾角，利用航天器軌道方程，即可得到航天器在某一時(shí)刻的位置，即導(dǎo)航信息。
[0008]星體捕獲系統(tǒng)包括聚焦光路、面陣圖像傳感器、圖像采集及處理裝置、導(dǎo)航計(jì)算電路和星庫(kù)存儲(chǔ)器；其中，進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器上；面陣圖像傳感器接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像，圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，獲得增強(qiáng)圖像；導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星。圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，獲得增強(qiáng)的圖像。導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，利用星圖識(shí)別算法，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星。隨后，對(duì)所瞄準(zhǔn)的行星或其衛(wèi)星進(jìn)行處理，得到其中心的方位信息，最終根據(jù)軌道方程，計(jì)算系統(tǒng)所在的位置，即導(dǎo)航信息。星體捕獲系統(tǒng)可與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如果在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，直接把入射光束聚焦，則此處不需要加聚焦光路。
[0009]分光光路的作用是把星體捕獲系統(tǒng)同發(fā)射接收標(biāo)定裝置分開(kāi)。當(dāng)系統(tǒng)處于空間激光通信模式，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡收集入射光束或者發(fā)射激光光束；精瞄裝置對(duì)入射光束進(jìn)行跟蹤對(duì)準(zhǔn)，以補(bǔ)償航天器平臺(tái)的振動(dòng)所帶來(lái)的入射光束的抖動(dòng)，最終對(duì)準(zhǔn)對(duì)方的通信端機(jī)；經(jīng)分光光路后，入射光束進(jìn)入發(fā)射接收標(biāo)定裝置，進(jìn)行正常的航天器通信。
[0010]發(fā)射接收標(biāo)定裝置一般包括通信接收裝置、通信發(fā)射裝置、粗瞄捕獲傳感器、精瞄接收裝置和標(biāo)定裝置等。因不同的發(fā)射接收標(biāo)定裝置的差異，各個(gè)裝置的設(shè)計(jì)上會(huì)有差異；其中，通信接收裝置接收對(duì)方通信端機(jī)發(fā)射來(lái)的調(diào)制通信信號(hào)；通信發(fā)射裝置對(duì)要傳遞的信息進(jìn)行調(diào)制編碼，形成通信光；標(biāo)定裝置對(duì)發(fā)射通道和接收通道的方向一致性進(jìn)行校準(zhǔn)，使二者一致。粗瞄捕獲傳感器主要用來(lái)對(duì)入射光進(jìn)行寬視場(chǎng)的接收與檢測(cè)，對(duì)入射的光斑進(jìn)行粗定位，而精瞄接收裝置用于確定感光面上入射光斑的精確位置，兩者均可以采用四象限探測(cè)器4QD、(XD相機(jī)或CMOS相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0011]控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)發(fā)射接收標(biāo)定裝置的各個(gè)分系統(tǒng)或各個(gè)功能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，采集相關(guān)數(shù)據(jù)、發(fā)布執(zhí)行命令，并具備與航天器平臺(tái)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，可以采用嵌入式計(jì)算機(jī)及接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0012]航天器平臺(tái)接口主要用于從航天器平臺(tái)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，例如，發(fā)射接收標(biāo)定裝置需要的星歷數(shù)據(jù)、平臺(tái)慣性陀螺的姿態(tài)變化數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)可用于空間激光通信的捕獲過(guò)程以及補(bǔ)償航天器平臺(tái)姿態(tài)變化，有利于激光鏈路的快速建立。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法。
[0014]本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法，包括以下步驟:
[0015]1)自主導(dǎo)航系統(tǒng)處于導(dǎo)航模式，粗瞄機(jī)械指向裝置在控制系統(tǒng)的控制下，將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)空間的某一方向，星體捕獲系統(tǒng)的視場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)三顆以上恒星，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將恒星發(fā)出的光束進(jìn)行會(huì)聚，變?yōu)檎叫泄馐驎?huì)聚光束；
[0016]2)精瞄裝置對(duì)入射光束進(jìn)行跟蹤對(duì)準(zhǔn)，以補(bǔ)償航天器平臺(tái)的振動(dòng)所帶來(lái)的入射光束的抖動(dòng)，經(jīng)過(guò)分光光路后入射光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)中；
[0017]3)星體捕獲系統(tǒng)對(duì)恒星進(jìn)行識(shí)別，然后獲得恒星的方位信息；
[0018]4)控制系統(tǒng)控制粗瞄機(jī)械指向裝置將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一個(gè)行星或其衛(wèi)星，再由星體捕獲系統(tǒng)獲得行星或其衛(wèi)星的中心方位信息；
[0019]5)星體捕獲系統(tǒng)中的導(dǎo)航計(jì)算電路將從已識(shí)別的多顆恒星中選擇一顆恒星與航天器連接得到一條直線(xiàn)，再將行星或其衛(wèi)星的中心與航天器連接，得到另外一條直線(xiàn)，根據(jù)這兩個(gè)直線(xiàn)的夾角，利用航天器軌道方程，即可得到航天器在某一時(shí)刻的位置，即導(dǎo)航信肩、Ο
[0020]其中，在步驟3)中，進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器上；面陣圖像傳感器接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像；圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，獲得增強(qiáng)圖像；導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，利用星圖識(shí)別算法，如星光角距，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星。
[0021]空間激光通信端機(jī)作為航天器的有效載荷加載在航天器上，本身具有捕獲和通信功能，本發(fā)明在傳統(tǒng)的空間激光通信端機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了星體捕獲系統(tǒng)，從而能夠識(shí)別恒星以及行星或其衛(wèi)星并獲得方位信息，通過(guò)計(jì)算恒星-航天器-行星(或其衛(wèi)星)之間的夾角，最終獲得航天器自身的位置信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航過(guò)程。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0023](1)不需要再采用一套額外的自主導(dǎo)航裝置，空間激光通信端機(jī)自身就可以獲得導(dǎo)航信息，節(jié)省了相關(guān)的研發(fā)、發(fā)射和運(yùn)行的費(fèi)用，減小了航天器有效載荷的體積、重量和功耗；
[0024](2)在導(dǎo)航過(guò)程中可以獲得自主導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)可以用于激光通信鏈路的建立，相對(duì)于利用航天器平臺(tái)提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以大大減小空間激光通信端機(jī)的開(kāi)環(huán)貓準(zhǔn)不確定范圍，最終減小鏈路建立時(shí)間，有利于提聞自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能；
[0025](3)利用本發(fā)明提供的定姿導(dǎo)航功能，可以為深空探測(cè)提供另一種新的自主導(dǎo)航技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果，以近乎實(shí)時(shí)地進(jìn)行飛行軌道校正，不但可以消除星地之間的信號(hào)往返延遲，也可以省去地面數(shù)據(jù)處理。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的星體捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖3為本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明的圖像采集及處理裝置、導(dǎo)航計(jì)算電路及星庫(kù)存儲(chǔ)器的連接關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括:光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、精瞄裝置、信標(biāo)光裝置、分光光路、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置、星體捕獲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和航天器平臺(tái)接口 ；其中，粗瞄機(jī)械指向裝置連接至光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，控制其對(duì)準(zhǔn)空間方位；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采集到的入射光束通過(guò)精瞄轉(zhuǎn)鏡，經(jīng)分光光路，一路光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)，另一路進(jìn)入發(fā)射接收標(biāo)定裝置；信標(biāo)光裝置、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置和星體捕獲系統(tǒng)分別與控制系統(tǒng)相連接；控制系統(tǒng)與航天器平臺(tái)接口相連接；星體捕獲系統(tǒng)捕獲并識(shí)別恒星，并獲得恒星的方位信息，以及捕獲一顆較近的行星或其衛(wèi)星并獲得其中心方位信息。
[0033]如圖2所示，星體捕獲系統(tǒng)包括聚焦光路、面陣圖像傳感器、圖像采集及處理裝置、導(dǎo)航計(jì)算電路和星庫(kù)存儲(chǔ)器；其中，進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器上；面陣圖像傳感器接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像，經(jīng)過(guò)一次或多次星體捕獲過(guò)程之后，圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，獲得增強(qiáng)的圖像；導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，利用星圖識(shí)別算法，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出恒星。星體捕獲系統(tǒng)還可以瞄準(zhǔn)較近的行星或其衛(wèi)星，得到其中心方位信息。導(dǎo)航計(jì)算電路將從已識(shí)別的多顆恒星中選擇一顆恒星與航天器連接得到一條直線(xiàn)，再將行星或其衛(wèi)星的中心與航天器連接，得到另外一條直線(xiàn)，根據(jù)這兩個(gè)直線(xiàn)的夾角，利用航天器軌道方程，即可得到航天器在某一時(shí)刻的位置，即導(dǎo)航信息。
[0034]如圖3所示，本實(shí)施例中，基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括:光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1、精瞄裝置2、分光光路3、信標(biāo)光裝置9、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置4、星體捕獲系統(tǒng)5、控制系統(tǒng)7和航天器平臺(tái)接口 8 ;星體捕獲系統(tǒng)5包括聚焦光路51、面陣圖像傳感器52、圖像采集及處理裝置53、導(dǎo)航計(jì)算電路54和星庫(kù)存儲(chǔ)器55。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1采用反射式望遠(yuǎn)鏡，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)色差，尺寸緊湊。反射式望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格倫、R-C及其他非球面形式的望遠(yuǎn)鏡。精瞄裝置2采用精瞄轉(zhuǎn)鏡，使入射光束做二維高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)高速PZT來(lái)實(shí)現(xiàn)。分光光路3采用半透半反鏡，或者二相色分光鏡。面陣圖像傳感器52采用CCD或CMOS器件。
[0035]發(fā)射接收標(biāo)定裝置包括窄帶干涉濾光片61、聚焦光路62、粗瞄捕獲傳感器63、快門(mén)64、角錐棱鏡65、通信接收裝置66、精瞄接收裝置67和通信發(fā)射裝置68，69為分光棱鏡；其中，窄帶干涉濾光片61使很窄光譜入射光束透過(guò)，減小背景光和其他干擾光源；快門(mén)64可在標(biāo)定接收通道與發(fā)射通道一致性的時(shí)候打開(kāi)，否則關(guān)閉；角錐棱鏡65使入射光束沿原方向返回；通信接收裝置66接收來(lái)自對(duì)方通信端機(jī)發(fā)射的通信光；精瞄接收裝置67精瞄接收裝置就是一個(gè)高速光電傳感器，用于確定感光面上光斑的位置，可以采用四象限探測(cè)器4QD，CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)，對(duì)來(lái)自對(duì)方通信端機(jī)的光束進(jìn)行光電敏感，得到其方向，為精跟瞄提供反饋數(shù)據(jù)，可采用高速(XD或CMOS相機(jī)、4QD來(lái)實(shí)現(xiàn)。68主要是通信激光光源進(jìn)行調(diào)制、編碼、準(zhǔn)直后，得到準(zhǔn)平行的光束，構(gòu)成通信發(fā)射裝置。
[0036]傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)視場(chǎng)一般比較小，使得在星體捕獲階段往往需要多次捕獲恒星，通過(guò)視場(chǎng)拼接，才能識(shí)別星座，為提高捕獲速度，本發(fā)明的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1如圖4所示，包括三個(gè)非球面鏡11、12和13，以及一個(gè)平面反射鏡14，15為目鏡；平行光束入射至非球面鏡12后，匯聚并反射至非球面鏡11，由11反射通過(guò)12和13中間的通孔入射至平面反射鏡14，然后反射至13，由13反射、聚焦，通過(guò)平面反射鏡14的通孔入射至目鏡15 ;通過(guò)11、12、13和14的光路與目鏡15共聚焦。采用圖4的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，視場(chǎng)可以達(dá)到2.5。，可得到很好的像差校正。
[0037]圖5是圖像采集及處理裝置、導(dǎo)航計(jì)算電路及星庫(kù)存儲(chǔ)器的連接關(guān)系圖，圖像采集及處理裝置包括圖像接口、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA和可編程只讀存儲(chǔ)器PR0M ;導(dǎo)航計(jì)算電路包括靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM和數(shù)字信號(hào)處理器DSP ;圖像采集及處理裝置的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列與導(dǎo)航計(jì)算電路的數(shù)字信號(hào)處理器之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)電平轉(zhuǎn)換相連；導(dǎo)航計(jì)算電路的數(shù)字信號(hào)處理器與星庫(kù)存儲(chǔ)器相連接，星庫(kù)存儲(chǔ)器采用閃存FLASH。
[0038]下面以地球?yàn)檫x中的行星為例，具體說(shuō)明本發(fā)明的自主導(dǎo)航方法。
[0039]本發(fā)明的基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法，包括以下步驟:
[0040]1)控制系統(tǒng)控制自主導(dǎo)航系統(tǒng)處于導(dǎo)航模式，粗瞄機(jī)械指向裝置4在控制系統(tǒng)7的控制下，將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1對(duì)準(zhǔn)空間的某一方向，星體捕獲系統(tǒng)5的視場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)若干恒星，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1將恒星發(fā)出的光束進(jìn)行會(huì)聚，變?yōu)檎馐?br> [0041]2)精瞄裝置2對(duì)入射光束進(jìn)行跟蹤對(duì)準(zhǔn)，以補(bǔ)償航天器平臺(tái)的振動(dòng)所帶來(lái)的入射光束的抖動(dòng)；經(jīng)過(guò)分光光路3后入射光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)5中；
[0042]3)進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路51進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器52上，面陣圖像傳感器52接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像，經(jīng)過(guò)一次或多次星體捕獲過(guò)程之后，圖像采集及處理裝置53及導(dǎo)航計(jì)算電路54對(duì)圖像進(jìn)行處理，與星庫(kù)存儲(chǔ)器55中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星；
[0043]4)控制系統(tǒng)7控制粗瞄機(jī)械指向裝置4將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡1對(duì)準(zhǔn)地球，再由星體捕獲系統(tǒng)5獲得，利用間接敏感地平的方式可以獲得地平信息，獲得地心中心方位；
[0044]5)將已識(shí)別的恒星與航天器連接得到一直線(xiàn)，再將地心與航天器連接，得到另外一條直線(xiàn)，根據(jù)這兩個(gè)直線(xiàn)的夾角，利用航天器軌道方程，即可得到航天器在某一時(shí)刻的位置，即導(dǎo)航信息。
[0045]事實(shí)上，在自主導(dǎo)航系統(tǒng)剛開(kāi)始工作時(shí)，對(duì)恒星進(jìn)行識(shí)別之后，利用姿態(tài)確定算法，就可以得到通信端機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)有別于航天器平臺(tái)的姿態(tài)，它更準(zhǔn)確。
[0046]其中，在步驟4)中，間接敏感地平的原理是當(dāng)星光通過(guò)地球大氣時(shí)，由于大氣密度不均勻，會(huì)使光線(xiàn)發(fā)生折射，彎向地心方向，從而使恒星視位置比實(shí)際位置上移。折射角取決于星光頻率和大氣密度。利用本發(fā)明中的星體捕獲系統(tǒng)5獲取折射的星光，通過(guò)建立折射光相對(duì)于地球視高度與折射角之間的觀(guān)測(cè)方程，獲得地平信息，得到地心方位信息。
[0047]上面描述的導(dǎo)航過(guò)程側(cè)重于離地球比較近的情況，利用星光折射角，得到地心方位信息；當(dāng)航天器離地球比較遠(yuǎn)時(shí)，比如深空探測(cè)，仍然可以利用本發(fā)明，只是在識(shí)別了恒星星座之后，下一步通過(guò)多次瞄準(zhǔn)較近的行星或其衛(wèi)星的輪廓，經(jīng)過(guò)圖像處理(邊緣檢測(cè)，離散點(diǎn)擬合)，就可以計(jì)算出行星或其衛(wèi)星的中心方位信息，采用類(lèi)似的算法來(lái)計(jì)算導(dǎo)航位置信息。
[0048]本發(fā)明的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，是作為航天器的有效載荷的空間激光通信端機(jī)自身具有自主導(dǎo)航功能，既能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的激光通信端機(jī)的空間通信功能，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能，不需要添加額外的導(dǎo)航設(shè)備，節(jié)省了有效載荷的重量、體積、功耗和費(fèi)用。
[0049]需要說(shuō)明的是，如果星體捕獲系統(tǒng)5的視場(chǎng)比較大，則可以實(shí)現(xiàn)一次星體捕獲多顆恒星，從而完成恒星的識(shí)別；如果星體捕獲系統(tǒng)5的視場(chǎng)比較小，則需要多次捕獲星體，利用圖像拼接的方法，完成恒星的識(shí)別。
[0050]最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航方法，其特征在于，所述自主導(dǎo)航方法包括以下步驟: 1)自主導(dǎo)航系統(tǒng)處于導(dǎo)航模式，粗瞄機(jī)械指向裝置在控制系統(tǒng)的控制下，將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)空間的某一方向，星體捕獲系統(tǒng)的視場(chǎng)中出現(xiàn)三顆以上恒星，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將恒星發(fā)出的光束進(jìn)行會(huì)聚； 2)精瞄裝置對(duì)入射光束進(jìn)行跟蹤對(duì)準(zhǔn)，以補(bǔ)償航天器平臺(tái)的振動(dòng)所帶來(lái)的入射光束的抖動(dòng)，經(jīng)過(guò)分光光路后入射光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)中； 3)星體捕獲系統(tǒng)對(duì)恒星進(jìn)行識(shí)別，然后獲得恒星的方位信息； 4)控制系統(tǒng)控制粗瞄機(jī)械指向裝置將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一個(gè)行星或其衛(wèi)星，再由星體捕獲系統(tǒng)獲得行星或其衛(wèi)星的中心方位信息； 5)星體捕獲系統(tǒng)中的導(dǎo)航計(jì)算電路將從已識(shí)別的多顆恒星中選擇一顆恒星與航天器連接得到一條直線(xiàn)，再將行星或其衛(wèi)星的中心與航天器連接，得到另外一條直線(xiàn)，根據(jù)這兩個(gè)直線(xiàn)的夾角，利用航天器軌道方程，即可得到航天器在某一時(shí)刻的位置，即導(dǎo)航信息。
2.如權(quán)利要求1所述的自主導(dǎo)航方法，其特征在于，在步驟3)中，進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器上；面陣圖像傳感器接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像；圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理獲得增強(qiáng)的圖像；導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，利用星圖識(shí)別算法，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星。
3.一種基于空間激光通信端機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括:光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、精瞄裝置、信標(biāo)光裝置、分光光路、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置、星體捕獲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和航天器平臺(tái)接口 ；其中，粗瞄機(jī)械指向裝置連接至光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，控制其對(duì)準(zhǔn)空間方位；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采集到的入射光束通過(guò)精瞄轉(zhuǎn)鏡，經(jīng)分光光路，一路光束進(jìn)入星體捕獲系統(tǒng)，另一路進(jìn)入發(fā)射接收標(biāo)定裝置；信標(biāo)光裝置、發(fā)射接收標(biāo)定裝置、粗瞄機(jī)械指向裝置和星體捕獲系統(tǒng)分別與控制系統(tǒng)相連接；控制系統(tǒng)與航天器平臺(tái)接口相連接；星體捕獲系統(tǒng)捕獲并識(shí)別恒星，并獲得恒星的方位信息，以及捕獲某行星或其衛(wèi)星并獲得其中心方位信息。
4.如權(quán)利要求3所述的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述星體捕獲系統(tǒng)包括聚焦光路、面陣圖像傳感器、圖像采集及處理裝置、導(dǎo)航計(jì)算電路和星庫(kù)存儲(chǔ)器；其中，進(jìn)入到星體捕獲系統(tǒng)的光束首先經(jīng)過(guò)聚焦光路進(jìn)行聚焦，然后投射到面陣圖像傳感器上；面陣圖像傳感器接收入射光束，并完成光電轉(zhuǎn)換，從而捕獲星體圖像；圖像采集及處理裝置對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，獲得增強(qiáng)的圖像；導(dǎo)航計(jì)算電路對(duì)圖像做進(jìn)一步處理，利用星圖識(shí)別算法，并與星庫(kù)存儲(chǔ)器中的恒星數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，最終識(shí)別出所瞄準(zhǔn)的恒星。
5.如權(quán)利要求4所述的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集及處理裝置包括圖像接口、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和可編程只讀存儲(chǔ)器；導(dǎo)航計(jì)算電路包括靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和數(shù)字信號(hào)處理器；圖像采集及處理裝置的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列與導(dǎo)航計(jì)算電路的數(shù)字信號(hào)處理器之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)電平轉(zhuǎn)換相連；導(dǎo)航計(jì)算電路的數(shù)字信號(hào)處理器與星庫(kù)存儲(chǔ)器相連接。
【文檔編號(hào)】G01C21/24GK104296754SQ201410531539
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】王建民 申請(qǐng)人:北京大學(xué)