CN104344823A - 一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法 - Google Patents

一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法 Download PDF

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张伟
方宝东
叶晖
陈晓
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Abstract

一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法，主要由原子鉴频组合，CCD探测单元，测速计算机，目标天体指向伺服机构组成，所述原子鉴频组合用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别，输出高精度光谱频移值，所述CCD探测单元安装在原子鉴频组合后端，用于对原子鉴频模块输出的信号进行成像，所述测速计算机是测量信息数据处理的载体，接收CCD探测单元输出的原始图像数据，进行测试样本生成，根据不同算法进行去误差操作，完成速度数据输出，所述目标天体指向伺服机构用于承载原子鉴频组合，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频组合能始终对准目标天体。本发明具有高光谱稳定性与高光谱分辨率的优点。

Description

一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法
技术领域
本发明涉及一种宇航领域的测速导航仪，更具体的说，涉及一种可用于天文自主导航的新型高精度原子鉴频测速导航仪及相应的导航方法。
背景技术
在近地/深空航天任务中，航天器的在轨自主导航能力是航天能否实现长期在轨运行及其适应不同性质航天任务的重要因素。当前近地/深空航天器的自主导航方法主要有惯性导航、天文导航和组合导航等。天文导航包括了天文测角导航、天文测速导航、脉冲星导航等方法。天文测速导航基于惯性空间中探测器与天体间相对运动产生的多普勒频移效应进行相对速度测量，是实现航天器在轨自主导航的有效手段之一。
发明内容
本发明提供一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法，以光波多普勒频移效应为出发点，利用原子自身的光谱频率标准来测量目标天体光信号中某一特征谱线频率移动，进而反演获取探测器与目标天体间相对运动速度，最终解算导航速度及位置信息。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法，主要由原子鉴频组合，CCD探测单元，测速计算机，目标天体指向伺服机构组成，所述原子鉴频组合用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别，输出高精度光谱频移值，所述CCD探测单元安装在原子鉴频组合后端，用于对原子鉴频模块输出的信号进行成像，所述测速计算机是测量信息数据处理的载体，接收CCD探测单元输出的原始图像数据，进行测试样本生成，根据不同算法进行去误差操作，完成速度数据输出，所述目标天体指向伺服机构用于承载原子鉴频组合，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频组合能始终对准目标天体。
所述CCD探测单元包含2个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红翼光信号与蓝翼光信号进行成像。
所述原子鉴频组合包括滤光片、双峰原子鉴频器、选峰原子鉴频器、分光镜。
所述目标天体是太阳或系外恒星。
所述导航仪通过遮光罩及通光口接收来自目标天体的光信号。
一种高精度原子鉴频测速导航方法，采用上述的导航仪来完成，以光波多普勒频移效应为出发点，利用原子自身的光谱频率标准来测量目标天体光信号中某一特征谱线频率移动，进而反演获取探测器与目标天体间相对运动速度，最终解算导航速度及位置信息，具体是：通过遮光罩及通光口接收来自目标天体的光信号，经原子鉴频组合后输出高精度光谱频移值，由CCD探测单元采集后通过测速单元进行误差处理及导航解算，获得探测器在惯性坐标系下的位置及速度参数。
本发明所提供的高精度原子鉴频测速导航仪及导航方法，是根据光波多普勒频移原理，以太阳或系外恒星为观测目标天体，高精度的多普勒谱图输出为目的，利用原子自身的光谱频率标准来测量目标天体光信号中的谱线频移，从而获得探测器与目标天体之间的普勒视向速度的新型光谱导航仪。该导航仪可满足导航仪实际在轨精度应用需求。
本发明方法新颖，指标优越，同时具有高光谱稳定性与高光谱分辨率的特点，是航天器导航仪技术的新突破，该方法可实现航天器在轨自主导航，可对我国深空探测光谱导航仪的研制提供重要指导，并具备在深空及近地探测领域的广阔应用前景。
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是一种高精度原子鉴频测速导航仪原理框图。
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。
如图1所示，本发明所提供的高精度原子鉴频测速导航仪，是一种专门用于天文测速导航的敏感器。该敏感器接收来自天体的光信号，输出高精度光谱频移值，用于解算探测器在惯性坐标系下的位置及速度参数。主要由原子鉴频组合1、CCD探测单元2、测速计算机3、目标天体指向伺服机构4组成。高精度原子鉴频测速导航仪通过遮光罩及通光口接收来自导航天体的光信号，经原子鉴频组合1后输出高精度光谱频移值，由CCD探测单元2采集后，通过测速计算机3进行误差处理及导航解算，最终获得探测器在惯性坐标系下的位置及速度参数。
原子鉴频组合1用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别，包含了滤光片、双峰原子鉴频器、选峰原子鉴频器。导航源光信号依次通过滤光片、双峰原子鉴频器和选峰原子鉴频器后，得到导航源光信号特征谱线两翼的红翼、蓝翼光信号。
CCD探测单元2安装在原子鉴频组合后端，含CCD探测器2个，分别完成对原子鉴频模块输出的红翼光信号与蓝翼光信号进行成像。
测速计算机3是测量信息数据处理的载体，由工控计算机，显示器，数据输出板卡组成。测速计算机3接收CCD探测单元输出的原始图像数据，对太阳图像中心定位，进行测试样本生成，产生并显示红翼光信号与蓝翼光信号的图像。之后根据不同算法进行误差补偿操作，最终完成速度数据的解算与输出。
目标天体指向伺服机构4用于承载原子鉴频组合模块，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频组合模块能始终对准目标天体。
本发明上述实施例，并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，主要由原子鉴频组合，CCD探测单元，测速计算机，目标天体指向伺服机构组成，所述原子鉴频组合用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别，输出高精度光谱频移值，所述CCD探测单元安装在原子鉴频组合后端，用于对原子鉴频模块输出的信号进行成像，所述测速计算机是测量信息数据处理的载体，接收CCD探测单元输出的原始图像数据，进行测试样本生成，根据不同算法进行去误差操作，完成速度数据输出，所述目标天体指向伺服机构用于承载原子鉴频组合，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频组合能始终对准目标天体。
2.根据权利要求1所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述原子鉴频组合包括滤光片、双峰原子鉴频器、选峰原子鉴频器、分光镜。
3.根据权利要求1所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述CCD探测单元包含2个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红翼光信号与蓝翼光信号进行成像。
4.根据权利要求1所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述目标天体是太阳或系外恒星。
5.根据权利要求2所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述导航仪通过遮光罩及通光口接收来自目标天体的光信号。
6.一种高精度原子鉴频测速导航方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的导航仪来完成，以光波多普勒频移效应为出发点，利用原子自身的光谱频率标准来测量目标天体光信号中某一特征谱线频率移动，进而反演获取探测器与目标天体间相对运动速度，最终解算导航速度及位置信息，具体是：通过遮光罩及通光口接收来自目标天体的光信号，经原子鉴频组合后输出高精度光谱频移值，由CCD探测单元采集后通过测速单元进行误差处理及导航解算，获得探测器在惯性坐标系下的位置及速度参数。
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