CN102997935B - 一种基于光学和惯性组合测量的自主gnc仿真试验系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，包括：一体化敏感器、动态天体及恒星模拟器、GNC模块、动力学仿真与环境模拟模块、无线电测速与测距模拟器、仿真总控模块和三轴转台。本发明把一体化敏感器引入到仿真试验系统中，采用三轴转台实现了航天器的姿态运动，采用动力学仿真与环境模拟模块仿真了深空航天器的动力学特性和空间环境干扰，对于深空航天器的动力学和外部环境特性模拟真实可靠。

Description

一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统
技术领域
本发明涉及一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，属于深空航天器自主导航与控制物理仿真领域。
背景技术
目前深空自主导航主要是采用天文导航的手段来实现，其基本原理是基于对导航天体的光学成像，通过计算估计出深空航天器的位置和速度信息。由于天文导航单纯依靠相对于天体的角度信息，定位精度较低难于满足深空探测发展的需要。
光学和惯性组合测量在传统的光学敏感器基础上引入惯性器件，不仅能够测量航天器的位置信息还能够测量航天器的姿态信息，并且相对于传统的敏感器布局减少了航天器测量系统的安装误差和坐标转换计算误差，其次精确测量了相对于天体的角度信息，提高了航天器位置信息的测量精度。克服了单独使用光学导航的缺点，具备了导航精度高、可靠性高的优点。
现有的自主导航与控制数学仿真方法已不能适应自主导航和控制方案地面仿真验证的需要，信号模拟全部采用数学模型生成，模拟的有效性和真实性难以保证，迫切需要具有敏感器硬件在回路、模拟精度高、工况真实的深空自主导航和控制地面试验验证系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，现对导航天体形状和大小以及恒星几何关系的模拟，深空航天器姿态运动的模拟，增强了深空航天器自主导航与控制技术地面仿真验证的真实性和可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，包括：一体化敏感器、动态天体及恒星模拟器、GNC模块、动力学仿真与环境模拟模块、无线电测速与测距模拟器、仿真总控模块和三轴转台；
动态天体及恒星模拟器实现导航天体形状以及恒星之间几何关系的模拟，无线电测速与测距模拟器实现无线电测量信号的模拟；仿真总控模块发送指令给动态天体及恒星模拟器，动态天体及恒星模拟器接收到指令后进行导航天体模拟和恒星模拟；
三轴转台实现航天器姿态运动模拟，仿真总控模块发送指令给三轴转台，三轴转台接收到指令后模拟航天器姿态运动，三轴转台的角度和角速度信息返回给仿真总控模块；
一体化敏感器安装在三轴转台上，用于实现对动态天体及恒星模拟器模拟的导航天体成像、恒星星图成像以及本体系下航天器姿态角速度的测量，从而得到恒星星图、导航天体图像和航天器姿态角速度信息；
GNC模块采集一体化敏感器输出的导航天体图像、恒星星图和航天器姿态角速度信息，对采集到的恒星星图进行图像处理得到航天器的姿态角，对采集到的导航天体图像进行图像处理得到航天器的第一种位置和速度信息，
仿真总控模块发送指令给无线电测速与测距模拟器，无线电测速与测距模拟器收到指令后进行无线电测量信号的模拟并发送给GNC模块，GNC模块采集无线电测速与测距模拟器输出的无线电测量信号，并对该信号进行处理之后也得到航天器的第二种位置和速度信息，然后根据数据融合算法将所述第一种位置和速度信息以及第二种位置和速度信息进行数据融合处理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模块根据所述航天器位置和速度信息以及预设的轨道控制策略产生控制指令，并将控制指令发送给动力学仿真与环境模拟模块；
动力学仿真与环境模拟模块接收到GNC模块的控制指令后，进行深空航天器的动力学仿真，并将仿真的结果发送给仿真总控模块；
仿真总控模块将接收到的航天器动力学仿真结果与航天器位置和姿态信息真实值进行比较，进而得到导航控制精度。
所述一体化敏感器包括窄视场相机、宽视场相机和MEMS陀螺；宽视场相机用于对导航天体成像，窄视场相机用于对恒星星图成像，MEMS陀螺用于测量航天器的姿态信息。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出基于光学和惯性组合测量的自主GNC试验验证具有导航天体和太空星图模拟效果真实、实时性好、试验可操作性强，能够同时模拟导航天体光学图像、恒星几何关系、无线电测速和测距信号，形成自主GNC大闭环试验，实现集成光学与惯性组合测量的导航敏感器和无线电导航技术的深空航天器自主导航与控制方案仿真试验验证。
(2)本发明把一体化敏感器引入到仿真试验系统中，采用三轴转台实现了航天器的姿态运动，采用动力学仿真与环境模拟模块仿真了深空航天器的动力学特性和空间环境干扰，对于深空航天器的动力学和外部环境特性模拟真实可靠。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC试验验证系统，实现对导航天体形状和大小以及恒星几何关系的模拟，深空航天器姿态运动的模拟，增强了深空航天器自主导航与控制技术地面仿真验证的真实性和可靠性。
如图1所示为本发明的系统组成，包括一体化敏感器、动态天体及恒星模拟器、GNC模块、动力学仿真与环境模拟模块、无线电测速与测距模拟器、仿真总控模块和三轴转台；
动态天体及恒星模拟器实现导航天体形状以及恒星之间几何关系的模拟，无线电测速与测距模拟器实现无线电测量信号的模拟；仿真总控模块发送指令给动态天体及恒星模拟器，动态天体及恒星模拟器接收到指令后进行导航天体模拟和恒星模拟；
三轴转台实现航天器姿态运动模拟，仿真总控模块发送指令给三轴转台，三轴转台接收到指令后模拟航天器姿态运动，三轴转台的角度和角速度信息返回给仿真总控模块；
一体化敏感器安装在三轴转台上，用于实现对动态天体及恒星模拟器模拟的导航天体成像、恒星星图成像以及本体系下航天器姿态角速度的测量，从而得到恒星星图、导航天体图像和航天器姿态角速度信息；
GNC模块采集一体化敏感器输出的导航天体图像、恒星星图和航天器姿态角速度信息，对采集到的恒星星图进行图像处理得到航天器的姿态角，对采集到的导航天体图像进行图像处理得到航天器的第一种位置和速度信息，
仿真总控模块发送指令给无线电测速与测距模拟器，无线电测速与测距模拟器收到指令后进行无线电测量信号的模拟并发送给GNC模块，GNC模块采集无线电测速与测距模拟器输出的无线电测量信号，并对该信号进行处理之后也得到航天器的第二种位置和速度信息，然后根据数据融合算法将所述第一种位置和速度信息以及第二种位置和速度信息进行数据融合处理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模块根据所述航天器位置和速度信息以及预设的轨道控制策略产生控制指令，并将控制指令发送给动力学仿真与环境模拟模块；
动力学仿真与环境模拟模块接收到GNC模块的控制指令后，进行深空航天器的动力学仿真，并将仿真的结果发送给仿真总控模块；
仿真总控模块将接收到的航天器动力学仿真结果与航天器位置和姿态信息真实值进行比较，进而得到导航控制精度。
本发明中动态天体及恒星模拟器由动态小天体全视场模拟器，动态恒星模拟器主要由可变星相分布甚高精密靶标和可变星等弱目标模拟照明系统两部分组成。
本发明中无线电测速与测距模拟器根据仿真总控模块的指令实现不同距离和不同速度的无线电测距和测速信号模拟，能够实现高精度无线电到达时间模拟。
本发明中的三轴转台主要是根据仿真总控模块的指令下实现卫星姿态运动模拟，三轴转台由外环、中环、内环轴组成，一体化敏感器安装在三轴转台的内环轴上。
一体化敏感器包括窄视场相机、宽视场相机和MEMS陀螺；宽视场相机用于对导航天体成像，窄视场相机用于对恒星星图成像，MEMS陀螺用于测量航天器的姿态信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，其特征在于包括：一体化敏感器、动态天体及恒星模拟器、GNC模块、动力学仿真与环境模拟模块、无线电测速与测距模拟器、仿真总控模块和三轴转台；
动态天体及恒星模拟器实现导航天体形状以及恒星之间几何关系的模拟，无线电测速与测距模拟器实现无线电测量信号的模拟；仿真总控模块发送指令给动态天体及恒星模拟器，动态天体及恒星模拟器接收到指令后进行导航天体模拟和恒星模拟；
三轴转台实现航天器姿态运动模拟，仿真总控模块发送指令给三轴转台，三轴转台接收到指令后模拟航天器姿态运动，三轴转台的角度和角速度信息返回给仿真总控模块；
一体化敏感器安装在三轴转台上，用于实现对动态天体及恒星模拟器模拟的导航天体成像、恒星星图成像以及本体系下航天器姿态角速度的测量，从而得到恒星星图、导航天体图像和航天器姿态角速度信息；
GNC模块采集一体化敏感器输出的导航天体图像、恒星星图和航天器姿态角速度信息，对采集到的恒星星图进行图像处理得到航天器的姿态角，对采集到的导航天体图像进行图像处理得到航天器的第一种位置和速度信息，
仿真总控模块发送指令给无线电测速与测距模拟器，无线电测速与测距模拟器收到指令后进行无线电测量信号的模拟并发送给GNC模块，GNC模块采集无线电测速与测距模拟器输出的无线电测量信号，并对该信号进行处理之后也得到航天器的第二种位置和速度信息，然后根据数据融合算法将所述第一种位置和速度信息以及第二种位置和速度信息进行数据融合处理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模块根据所述航天器位置和速度信息以及预设的轨道控制策略产生控制指令，并将控制指令发送给动力学仿真与环境模拟模块；
动力学仿真与环境模拟模块接收到GNC模块的控制指令后，进行航天器的动力学仿真，并将仿真的结果发送给仿真总控模块；
仿真总控模块将接收到的航天器动力学仿真结果与航天器位置和姿态信息真实值进行比较，进而得到导航控制精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学和惯性组合测量的自主GNC仿真试验系统，其特征在于：所述一体化敏感器包括窄视场相机、宽视场相机和MEMS陀螺；宽视场相机用于对导航天体成像，窄视场相机用于对恒星星图成像，MEMS陀螺用于测量航天器的姿态信息。
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