CN104457759A - 高精度原子鉴频测速导航仪及其导航方法 - Google Patents

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方宝东
叶晖
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Abstract

本发明提供了一种高精度原子鉴频测速导航仪及其导航方法，该导航仪包括：原子鉴频模块，用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别；CCD探测单元，CCD探测单元包括一个分光镜和两个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红移信号光与蓝移信号进行成像；测速计算机，测量信息数据处理的载体，接收两个CCD探测器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，最终完成速度数据输出；目标天体指向伺服机构，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频模块能始终对准目标天体。本发明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，从而实现航天器与目标天体之间的多普勒视向速度的测量。

Description

高精度原子鉴频测速导航仪及其导航方法
技术领域
本发明涉及一种导航仪及其导航方法，具体地，涉及一种高精度原子鉴频测速导航仪及其导航方法。
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。利用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。
然而，现有的色散型光谱仪光谱分辨率最高为2×105，达不到自主导航所要求的测量精度，且体积庞大，质量更是达到几十吨，无法满足航天任务的小型化要求。
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高精度原子鉴频测速导航仪及其导航方法，其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，从而实现航天器与目标天体之间的多普勒视向速度的测量。
根据本发明的一个方面，提供一种高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，包括：
原子鉴频模块，用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别；
CCD探测单元，安装在原子鉴频模块的后端，CCD探测单元包括一个分光镜和两个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红移信号光与蓝移信号进行成像；
测速计算机，测量信息数据处理的载体，接收两个CCD探测器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，最终完成速度数据输出；
目标天体指向伺服机构，用于承载原子鉴频模块，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频模块能始终对准目标天体。
优选地，所述原子鉴频模块包含遮光罩、通光孔和原子鉴频组件。
优选地，所述测速计算机包括数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器、显示器、数据输出板卡；存储器、图像处理器都与数据接收模块连接，图像处理器、计算补偿器、数据输出板卡依次连接，图像处理器、计算补偿器都与显示器连接。
优选地，所述数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器都位于一个工控计算机内。
优选地，所述数据输出板卡与一个导航输出模块连接。
本发明还提供一种高精度原子鉴频测速导航仪的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：高精度原子鉴频测速导航仪采用原子鉴频模块接收目标天体光信号，并对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别产生红、蓝移信号光，利用CCD探测单元对红、蓝移信号光分别进行光电探测产生光谱图像，经测速计算机后解算出多普勒频移信息并对误差进行补偿，获得航天器与目标天体之间多普勒视向速度信息，最终实现航天器在轨自主导航。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明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，从而实现航天器与目标天体之间的多普勒视向速度的测量。本发明可实现航天器在轨自主导航，可广泛应用于深空/近地航天任务。
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为本发明高精度原子鉴频测速导航仪的原理框图。
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，本发明高精度原子鉴频测速导航仪包括：
原子鉴频模块，用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别，原子鉴频模块包含遮光罩、通光孔和原子鉴频组件。遮光罩用于隔离目标天体光信号以外的杂散光，通光孔用于使目标天体光信号到达原子鉴频组件。原子鉴频组件用于对目标天体光信号进行频率鉴别，输出对应的红移信号及蓝移信号光谱。
CCD探测单元，安装在原子鉴频模块的后端，CCD探测单元包括一个分光镜(黑色粗线条部分)和两个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红移信号与蓝移信号进行成像；
测速计算机，测量信息数据处理的载体，接收两个CCD探测器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，最终完成速度数据输出；测速计算机包括数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器、显示器、数据输出板卡；存储器、图像处理器都与数据接收模块连接，图像处理器、计算补偿器、数据输出板卡依次连接，图像处理器、计算补偿器都与显示器连接。数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器都位于一个工控计算机内。数据接收模块用于接受CCD检测器的光谱图像，存储器用于存储光谱图像，图像处理器用于处理光谱图像获得对对应的速度信息，计算补偿器用于计算速度信息中的误差量并进行补偿，显示器用于显示光谱图像及相关处理信息，数据输出板卡用于输出导航信息。
目标天体指向伺服机构，用于承载原子鉴频模块，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频模块能始终对准目标天体。
本发明高精度原子鉴频测速导航仪的导航方法包括以下步骤：高精度原子鉴频测速导航仪采用原子鉴频模块接收目标天体光信号，并对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别产生红、蓝移信号光，利用CCD探测单元对红、蓝移信号光分别进行光电探测产生光谱图像，经测速计算机后解算出多普勒频移信息并对误差进行补偿，获得航天器与目标天体之间多普勒视向速度信息，最终实现航天器在轨自主导航。
本发明高精度原子鉴频测速导航仪的工作原理如下：通过遮光罩及通光孔接收来自导航天体的目标天体光信号，经原子鉴频模块后输出高精度光谱频移值，由CCD探测单元采集后通过测速计算机进行误差处理及导航解算，最终实现航天器在惯性坐标系下的位置及速度参数。本发明根据光波多普勒频移原理，以太阳或系外恒星为观测目标源，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，从而实现航天器与目标天体之间的多普勒视向速度的测量，可满足导航仪实际在轨精度应用需求。本发明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源间相对运动速度，最终解算导航速度及位置信息。本发明同时具有高光谱稳定性与高光谱分辨率的特点，是航天器导航仪研制方法的新突破。
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 (6)

1.一种高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，包括：
原子鉴频模块，用于对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别；
CCD探测单元，安装在原子鉴频模块的后端，CCD探测单元包括一个分光镜和两个CCD探测器，分别完成对原子鉴频模块输出的红移信号光与蓝移信号进行成像；
测速计算机，测量信息数据处理的载体，接收两个CCD探测器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，最终完成速度数据输出；
目标天体指向伺服机构，用于承载原子鉴频模块，并跟踪目标天体运动，以保证原子鉴频模块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，所述原子鉴频模块包含遮光罩、通光孔和原子鉴频组件。
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，所述测速计算机包括数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器、显示器、数据输出板卡；存储器、图像处理器都与数据接收模块连接，图像处理器、计算补偿器、数据输出板卡依次连接，图像处理器、计算补偿器都与显示器连接。
4.根据权利要求3所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述数据接收模块、存储器、图像处理器、计算补偿器都位于一个工控计算机内。
5.根据权利要求3所述的高精度原子鉴频测速导航仪，其特征在于，所述数据输出板卡与一个导航输出模块连接。
6.一种高精度原子鉴频测速导航仪的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：高精度原子鉴频测速导航仪采用原子鉴频模块接收目标天体光信号，并对目标天体光信号的谱线进行频率鉴别产生红、蓝移信号光，利用CCD探测单元对红、蓝移信号光分别进行光电探测产生光谱图像，经测速计算机后解算出多普勒频移信息并对误差进行补偿，获得航天器与目标天体之间多普勒视向速度信息，最终实现航天器在轨自主导航。
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