CN104251711A - 深空探测组合自主导航地面验证系统及其方法 - Google Patents

深空探测组合自主导航地面验证系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种深空探测组合自主导航地面验证系统，包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机以及半物理导航评估系统；其中，所述测角敏感器和所述测速敏感器均连接所述导航计算机，所述导航计算机通过所述组合导航计算机连接所述半物理导航评估系统。本发明还提供相应的基于恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证方法和基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法。本发明提供的包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机和半物理导航评估系统的地面验证系统，能够有效提高深空探测器组合导航性能测试验证。

Description

深空探测组合自主导航地面验证系统及其方法
技术领域
本发明涉及深空导航，具体地，涉及一种深空探测组合自主导航地面验证系统及其方法。
背景技术
深空导航方法主要有地面无线电导航、天文导航、惯性导航以及组合导航等。其中地面无线电导航和惯性导航方法和技术已发展相对成熟，天文导航则在国外深空探测任务中已得到多次成功应用。组合导航将测角与测速信息相融合，可有效提高航天器的导航精度，实现长期的连续自主、实时高精度的深空自主导航。地面验证系统是考核导航方法或导航系统功能与性能的主要方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测组合自主导航地面验证系统。本发明针对深空探测组合自主导航方法，提出一套由动态星光模拟器、测角敏感器、测速敏感器、信息融合与导航信息解算设备、性能评估设备等组成的地面性能验证与评估系统。该系统的组成清晰，用途明确，是针对深空探测器组合导航性能测试验证的有效手段。
根据本发明的一个方面提供的一种深空探测组合自主导航地面验证系统，包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机以及半物理导航评估系统；
其中，所述测角敏感器和所述测速敏感器均连接所述导航计算机，所述导航计算机通过所述组合导航计算机连接所述半物理导航评估系统；所述测角敏感器用于获取恒星光源或导航模拟光源中的光学导航图像；所述测速敏感器用于获取恒星光源或导航模拟光源中的光谱图像；导航计算机用于通过测速导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息或/和通过测角导航算法根据光谱图像提取测速信息；组合导航计算机用于提取测速信息、测角信息和导航位置信息并进行信息融合；所述半物理导航评估系统用于对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
优选地，还包括轨道动力学仿真机、姿态动力学仿真机、动态星光光谱模拟器、动态星光图像模拟器以及模拟显示器；所述轨道动力学仿真机连接所述半物理导航评估系统、所述导航计算机、所述动态星光光谱模拟器和所述动态星光图像模拟器；所述姿态动力学仿真机连接所述导航计算机和所述动态星光图像模拟器；所述动态星光图像模拟器和所述动态星光光谱模拟器通过模拟显示器分别连接测角敏感器和测速敏感器；所述轨道动力学仿真机用于生成探测器轨道信息；所述姿态动力学仿真机用于生成探测器姿态信息；所述动态星光光谱模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光谱信息；所述动态星光图像模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光学导航图像；所述模拟显示器用于将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器生成导航模拟光源。
根据本发明的另一个方面提供的一种基于恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，包括如下步骤：
步骤1：由测角敏感器获取恒星光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息；
步骤2：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息；
步骤3：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息和导航位置信息；
优选地，还包括如下步骤：
步骤4：由半物理导航评估系统对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
根据本发明的又一个方面提供的一种基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，包括如下步骤：
步骤1：由轨道动力学仿真机和姿态动力学仿真机分别生成探测器的轨道信息和探测器的姿态信息；
步骤2：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光图像模拟器，生成导航目标天体的光学导航图像；
步骤3：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光光谱模拟器，生成导航目标天体的光谱信息；
步骤4：将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器，由模拟显示器输出导航模拟光源；
步骤5：由测角敏感器获取导航模拟光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法计算机根据光学导航图像提取测角信息和导航位置信息；
步骤6：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息；
步骤7：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息与导航位置信息；
优选地，还包括如下步骤：
步骤8：由半物理导航评估系统对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
优选地，光学导航图像包括光源外形、光强及其随时间的变化特征。
优选地，光谱图像包括光源的谱线分布、谱线强度及其随时间的变化特征。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机和半物理导航评估系统的地面验证系统，能够有效提高深空探测器组合导航性能测试验证。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中采用恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证系统的结构示意图；
图2为本发明中采用模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，如图1、图2所示，本发明提供的深空探测组合自主导航地面验证系统包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机以及半物理导航评估系统；
其中，所述测角敏感器和所述测速敏感器均连接所述导航计算机，所述导航计算机通过所述组合导航计算机连接所述半物理导航评估系统。本发明提供的深空探测组合自主导航地面验证系统能够将现场观星获得的恒星光作为导航光源，也可以通过模拟显示器生成导航光源。所述测速敏感器用于获取恒星光源或导航模拟光源中的光谱图像；导航计算机用于通过测速导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息和通过测角导航算法根据光谱图像提取测速信息；组合导航计算机用于提取测速信息、测角信息和导航位置信息并进行信息融合；所述半物理导航评估系统用于对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
本发明提供的深空探测组合自主导航地面验证系统还包括轨道动力学仿真机、姿态动力学仿真机、动态星光光谱模拟器、动态星光图像模拟器以及模拟显示器；所述轨道动力学仿真机连接所述半物理导航评估系统、所述导航计算机、所述动态星光光谱模拟器和所述动态星光图像模拟器；所述姿态动力学仿真机连接所述导航计算机和所述动态星光图像模拟器；所述动态星光图像模拟器和所述动态星光光谱模拟器分别通过模拟显示器连接测角敏感器和测速敏感器。所述轨道动力学仿真机用于生成探测器轨道信息；所述姿态动力学仿真机用于生成探测器姿态信息；所述动态星光光谱模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光谱信息；所述动态星光图像模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光学导航图像；所述模拟显示器用于将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器生成导航模拟光源。
本发明提供的基于恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，包括如下步骤：
步骤1：由测角敏感器获取恒星光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息；
步骤2：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息；
步骤3：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航算法计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息与导航位置信息；
步骤4：由半物理导航评估系统对导航系统、测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
本发明提供的基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，包括如下步骤：
步骤1：由轨道动力学仿真机和姿态动力学仿真机分别生成探测器轨道信息和探测器姿态信息；
步骤2：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光图像模拟器，产生导航目标天体的光学导航图像；
步骤3：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光光谱模拟器，产生导航目标天体的光谱信息；
步骤4：将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器，由模拟显示器输出导航模拟光源；
步骤5：由测角敏感器获取导航模拟光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法计算机根据光学导航图像提取测角信息和导航位置信息；
步骤6：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息；
步骤7：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航算法计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息与导航位置信息；
步骤8：由半物理导航评估系统对导航系统、测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。
光学导航图像包括光源的外形、光强及其随时间的变化特征。光谱图像包括光源的谱线分布、谱线强度及其随时间的变化特征。本发明中的模拟显示器采用数字模拟的方法，对导航目标天体(如火星、小行星、恒星)的光学图像进行动态模拟。模拟的内容主要包括光源的外形、光强、光谱等特性。引入轨道与姿态动力学后，可进一步对光源与测角敏感器和测速敏感器的相对距离、运动速度、视线方向等进行模拟。在模拟的过程中，需考虑相对运动或平台扰动等造成的图像模糊、拖尾等特性，以及恒星或行星真实光谱中复杂的致宽效应等带来的影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种深空探测组合自主导航地面验证系统，其特征在于，包括测角敏感器、测速敏感器、导航计算机、组合导航计算机以及半物理导航评估系统； 
其中，所述测角敏感器和所述测速敏感器均连接所述导航计算机，所述导航计算机通过所述组合导航计算机连接所述半物理导航评估系统；所述测角敏感器用于获取恒星光源或导航模拟光源中的光学导航图像；所述测速敏感器用于获取恒星光源或导航模拟光源中的光谱图像；导航计算机用于通过测速导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息或/和通过测角导航算法根据光谱图像提取测速信息；组合导航计算机用于提取测速信息、测角信息和导航位置信息并进行信息融合；所述半物理导航评估系统用于对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。 
2.根据权利要求1所述的深空探测组合自主导航地面验证系统，其特征在于，还包括轨道动力学仿真机、姿态动力学仿真机、动态星光光谱模拟器、动态星光图像模拟器以及模拟显示器；所述轨道动力学仿真机连接所述半物理导航评估系统、所述导航计算机、所述动态星光光谱模拟器和所述动态星光图像模拟器；所述姿态动力学仿真机连接所述导航计算机和所述动态星光图像模拟器；所述动态星光图像模拟器和所述动态星光光谱模拟器通过模拟显示器分别连接测角敏感器和测速敏感器；所述轨道动力学仿真机用于生成探测器轨道信息；所述姿态动力学仿真机用于生成探测器姿态信息；所述动态星光光谱模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光谱信息；所述动态星光图像模拟器用于根据探测器轨道信息和探测器姿态信息生成光学导航图像；所述模拟显示器用于将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器生成导航模拟光源。 
3.一种基于恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，其特征在于，包括如下步骤： 
步骤1：由测角敏感器获取恒星光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法根据光学导航图像提取测角信息与导航位置信息； 
步骤2：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息； 
步骤3：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息和导航位置信息。 
4.根据权利要求3所述的基于恒星光源的深空探测组合自主导航地面验证方法， 其特征在于，还包括如下步骤： 
步骤4：由半物理导航评估系统对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。 
5.一种基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，其特征在于，包括如下步骤： 
步骤1：由轨道动力学仿真机和姿态动力学仿真机分别生成探测器的轨道信息和探测器的姿态信息； 
步骤2：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光图像模拟器，生成导航目标天体的光学导航图像； 
步骤3：将探测器轨道信息和探测器姿态信息输入动态星光光谱模拟器，生成导航目标天体的光谱信息； 
步骤4：将光学导航图像和光谱信息输入模拟显示器，由模拟显示器输出导航模拟光源； 
步骤5：由测角敏感器获取导航模拟光源中的光学导航图像，再由导航计算机中的测角导航算法计算机根据光学导航图像提取测角信息和导航位置信息； 
步骤6：由测速敏感器获取恒星光源中的光谱图像，再由导航计算机中的测速导航算法根据光谱图像提取测速信息； 
步骤7：将测速信息、测角信息和导航位置信息输入组合导航计算机，由组合导航计算机进行信息融合并提取测速信息、测角信息与导航位置信息。 
6.根据权利要求5所述的基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，其特征在于，还包括如下步骤： 
步骤8：由半物理导航评估系统对测速导航算法和测角导航算法的精度、可靠性进行评价。 
7.根据权利要求5所述的基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，其特征在于，光学导航图像包括光源外形、光强及其随时间的变化特征。 
8.根据权利要求5所述的基于模拟光源的深空探测组合自主导航地面验证方法，其特征在于，光谱图像包括光源的谱线分布、谱线强度及其随时间的变化特征。 
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