深空探測組合自主導航地面驗證系統及其方法
【專利摘要】本發明提供了一種深空探測組合自主導航地面驗證系統，包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機以及半物理導航評估系統；其中，所述測角敏感器和所述測速敏感器均連接所述導航計算機，所述導航計算機通過所述組合導航計算機連接所述半物理導航評估系統。本發明還提供相應的基于恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法和基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法。本發明提供的包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機和半物理導航評估系統的地面驗證系統，能夠有效提高深空探測器組合導航性能測試驗證。
【專利說明】深空探測組合自主導航地面驗證系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深空導航，具體地，涉及一種深空探測組合自主導航地面驗證系統及其方法。
【背景技術】
[0002]深空導航方法主要有地面無線電導航、天文導航、慣性導航以及組合導航等。其中地面無線電導航和慣性導航方法和技術已發展相對成熟，天文導航則在國外深空探測任務中已得到多次成功應用。組合導航將測角與測速信息相融合，可有效提高航天器的導航精度，實現長期的連續自主、實時高精度的深空自主導航。地面驗證系統是考核導航方法或導航系統功能與性能的主要方法。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種深空探測組合自主導航地面驗證系統。本發明針對深空探測組合自主導航方法，提出一套由動態星光模擬器、測角敏感器、測速敏感器、信息融合與導航信息解算設備、性能評估設備等組成的地面性能驗證與評估系統。該系統的組成清晰，用途明確，是針對深空探測器組合導航性能測試驗證的有效手段。
[0004]根據本發明的一個方面提供的一種深空探測組合自主導航地面驗證系統，包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機以及半物理導航評估系統；
[0005]其中，所述測角敏感器和所述測速敏感器均連接所述導航計算機，所述導航計算機通過所述組合導航計算機連接所述半物理導航評估系統；所述測角敏感器用于獲取恒星光源或導航模擬光源中的光學導航圖像；所述測速敏感器用于獲取恒星光源或導航模擬光源中的光譜圖像；導航計算機用于通過測速導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息或/和通過測角導航算法根據光譜圖像提取測速信息；組合導航計算機用于提取測速信息、測角信息和導航位置信息并進行信息融合；所述半物理導航評估系統用于對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0006]優選地，還包括軌道動力學仿真機、姿態動力學仿真機、動態星光光譜模擬器、動態星光圖像模擬器以及模擬顯示器；所述軌道動力學仿真機連接所述半物理導航評估系統、所述導航計算機、所述動態星光光譜模擬器和所述動態星光圖像模擬器；所述姿態動力學仿真機連接所述導航計算機和所述動態星光圖像模擬器；所述動態星光圖像模擬器和所述動態星光光譜模擬器通過模擬顯示器分別連接測角敏感器和測速敏感器；所述軌道動力學仿真機用于生成探測器軌道信息；所述姿態動力學仿真機用于生成探測器姿態信息；所述動態星光光譜模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光譜信息；所述動態星光圖像模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光學導航圖像；所述模擬顯示器用于將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器生成導航模擬光源。
[0007]根據本發明的另一個方面提供的一種基于恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:由測角敏感器獲取恒星光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息；
[0009]步驟2:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息；
[0010]步驟3:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息和導航位置信息；
[0011]優選地，還包括如下步驟:
[0012]步驟4:由半物理導航評估系統對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0013]根據本發明的又一個方面提供的一種基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，包括如下步驟:
[0014]步驟1:由軌道動力學仿真機和姿態動力學仿真機分別生成探測器的軌道信息和探測器的姿態信息；
[0015]步驟2:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光圖像模擬器，生成導航目標天體的光學導航圖像；
[0016]步驟3:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光光譜模擬器，生成導航目標天體的光譜信息；
[0017]步驟4:將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器，由模擬顯示器輸出導航模擬光源；
[0018]步驟5:由測角敏感器獲取導航模擬光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法計算機根據光學導航圖像提取測角信息和導航位置信息；
[0019]步驟6:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息；
[0020]步驟7:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息與導航位置信息；
[0021]優選地，還包括如下步驟:
[0022]步驟8:由半物理導航評估系統對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0023]優選地，光學導航圖像包括光源外形、光強及其隨時間的變化特征。
[0024]優選地，光譜圖像包括光源的譜線分布、譜線強度及其隨時間的變化特征。
[0025]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0026]本發明提供的包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機和半物理導航評估系統的地面驗證系統，能夠有效提高深空探測器組合導航性能測試驗證。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0028]圖1為本發明中采用恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證系統的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明中采用模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0031]在本實施例中，如圖1、圖2所示，本發明提供的深空探測組合自主導航地面驗證系統包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機以及半物理導航評估系統；
[0032]其中，所述測角敏感器和所述測速敏感器均連接所述導航計算機，所述導航計算機通過所述組合導航計算機連接所述半物理導航評估系統。本發明提供的深空探測組合自主導航地面驗證系統能夠將現場觀星獲得的恒星光作為導航光源，也可以通過模擬顯示器生成導航光源。所述測速敏感器用于獲取恒星光源或導航模擬光源中的光譜圖像；導航計算機用于通過測速導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息和通過測角導航算法根據光譜圖像提取測速信息；組合導航計算機用于提取測速信息、測角信息和導航位置信息并進行信息融合；所述半物理導航評估系統用于對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0033]本發明提供的深空探測組合自主導航地面驗證系統還包括軌道動力學仿真機、姿態動力學仿真機、動態星光光譜模擬器、動態星光圖像模擬器以及模擬顯示器；所述軌道動力學仿真機連接所述半物理導航評估系統、所述導航計算機、所述動態星光光譜模擬器和所述動態星光圖像模擬器；所述姿態動力學仿真機連接所述導航計算機和所述動態星光圖像模擬器；所述動態星光圖像模擬器和所述動態星光光譜模擬器分別通過模擬顯示器連接測角敏感器和測速敏感器。所述軌道動力學仿真機用于生成探測器軌道信息；所述姿態動力學仿真機用于生成探測器姿態信息；所述動態星光光譜模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光譜信息；所述動態星光圖像模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光學導航圖像；所述模擬顯示器用于將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器生成導航模擬光源。
[0034]本發明提供的基于恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，包括如下步驟:
[0035]步驟1:由測角敏感器獲取恒星光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息；
[0036]步驟2:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息；
[0037]步驟3:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航算法計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息與導航位置信息；
[0038]步驟4:由半物理導航評估系統對導航系統、測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0039]本發明提供的基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，包括如下步驟:
[0040]步驟1:由軌道動力學仿真機和姿態動力學仿真機分別生成探測器軌道信息和探測器姿態信息；
[0041]步驟2:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光圖像模擬器，產生導航目標天體的光學導航圖像；
[0042]步驟3:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光光譜模擬器，產生導航目標天體的光譜信息；
[0043]步驟4:將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器，由模擬顯示器輸出導航模擬光源；
[0044]步驟5:由測角敏感器獲取導航模擬光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法計算機根據光學導航圖像提取測角信息和導航位置信息；
[0045]步驟6:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息；
[0046]步驟7:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航算法計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息與導航位置信息；
[0047]步驟8:由半物理導航評估系統對導航系統、測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
[0048]光學導航圖像包括光源的外形、光強及其隨時間的變化特征。光譜圖像包括光源的譜線分布、譜線強度及其隨時間的變化特征。本發明中的模擬顯示器采用數字模擬的方法，對導航目標天體(如火星、小行星、恒星)的光學圖像進行動態模擬。模擬的內容主要包括光源的外形、光強、光譜等特性。引入軌道與姿態動力學后，可進一步對光源與測角敏感器和測速敏感器的相對距離、運動速度、視線方向等進行模擬。在模擬的過程中，需考慮相對運動或平臺擾動等造成的圖像模糊、拖尾等特性，以及恒星或行星真實光譜中復雜的致寬效應等帶來的影響。
[0049]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種深空探測組合自主導航地面驗證系統，其特征在于，包括測角敏感器、測速敏感器、導航計算機、組合導航計算機以及半物理導航評估系統； 其中，所述測角敏感器和所述測速敏感器均連接所述導航計算機，所述導航計算機通過所述組合導航計算機連接所述半物理導航評估系統；所述測角敏感器用于獲取恒星光源或導航模擬光源中的光學導航圖像；所述測速敏感器用于獲取恒星光源或導航模擬光源中的光譜圖像；導航計算機用于通過測速導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息或/和通過測角導航算法根據光譜圖像提取測速信息；組合導航計算機用于提取測速信息、測角信息和導航位置信息并進行信息融合；所述半物理導航評估系統用于對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
2.根據權利要求1所述的深空探測組合自主導航地面驗證系統，其特征在于，還包括軌道動力學仿真機、姿態動力學仿真機、動態星光光譜模擬器、動態星光圖像模擬器以及模擬顯示器；所述軌道動力學仿真機連接所述半物理導航評估系統、所述導航計算機、所述動態星光光譜模擬器和所述動態星光圖像模擬器；所述姿態動力學仿真機連接所述導航計算機和所述動態星光圖像模擬器；所述動態星光圖像模擬器和所述動態星光光譜模擬器通過模擬顯示器分別連接測角敏感器和測速敏感器；所述軌道動力學仿真機用于生成探測器軌道信息；所述姿態動力學仿真機用于生成探測器姿態信息；所述動態星光光譜模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光譜信息；所述動態星光圖像模擬器用于根據探測器軌道信息和探測器姿態信息生成光學導航圖像；所述模擬顯示器用于將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器生成導航模擬光源。
3.一種基于恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:由測角敏感器獲取恒星光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法根據光學導航圖像提取測角信息與導航位置信息； 步驟2:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息； 步驟3:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息和導航位置信息。
4.根據權利要求3所述的基于恒星光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，還包括如下步驟: 步驟4:由半物理導航評估系統對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
5.一種基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:由軌道動力學仿真機和姿態動力學仿真機分別生成探測器的軌道信息和探測器的姿態信息； 步驟2:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光圖像模擬器，生成導航目標天體的光學導航圖像； 步驟3:將探測器軌道信息和探測器姿態信息輸入動態星光光譜模擬器，生成導航目標天體的光譜信息； 步驟4:將光學導航圖像和光譜信息輸入模擬顯示器，由模擬顯示器輸出導航模擬光源； 步驟5:由測角敏感器獲取導航模擬光源中的光學導航圖像，再由導航計算機中的測角導航算法計算機根據光學導航圖像提取測角信息和導航位置信息； 步驟6:由測速敏感器獲取恒星光源中的光譜圖像，再由導航計算機中的測速導航算法根據光譜圖像提取測速信息； 步驟7:將測速信息、測角信息和導航位置信息輸入組合導航計算機，由組合導航計算機進行信息融合并提取測速信息、測角信息與導航位置信息。
6.根據權利要求5所述的基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，還包括如下步驟: 步驟8:由半物理導航評估系統對測速導航算法和測角導航算法的精度、可靠性進行評價。
7.根據權利要求5所述的基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，光學導航圖像包括光源外形、光強及其隨時間的變化特征。
8.根據權利要求5所述的基于模擬光源的深空探測組合自主導航地面驗證方法，其特征在于，光譜圖像包括光源的譜線分布、譜線強度及其隨時間的變化特征。
【文檔編號】G01C25/00GK104251711SQ201410461828
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】張偉, 尤偉, 王偉, 馬彥涵 申請人:上海衛星工程研究所