CN104457760B - 高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统及其设计方法，该系统包括：集光及导星子系统，导星模块完成对导航目标源的捕获、跟瞄，集光模块则完成对导航目标源来光信号的接收；色散及成像子系统，由主色散高密度阶梯光栅完成光谱主色散，再由色散棱镜完成横向色散；定标子系统，对导航目标源来光信号的参考谱线进行高精度标定检测；环境伺服子系统，完成环境参数漂移修正；频率识别及拾取子系统，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统；探测器导航系统，完成导航数据的收集和整理。本发明将光波多普勒频移测量与航天器在轨导航目标有机地结合起来，可满足航天器在轨长期连续自主、实时高精度的导航要求。

Description

高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种导航仪设计系统及其设计方法，具体地，涉及一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统及其设计方法。

背景技术

面对深空或近地航天任务，航天器的在轨自主导航能力是航天器能否在不依赖地面支持的情况下长期在轨运行的重要指标之一。从实际应用角度，天文自主导航相比于地面无线电导航，其重要特点是导航过程的自主性与连续性，而精度上应尽量与之相当。

当前，国外针对天文自主导航的技术主要集中在面向近距离小天体的测角导航以及面向系外脉冲星源的脉冲星导航等方式。测角导航的可行性受制于导航目标源的可观性，其精度受制于所摄取目标源天体图像的像质；脉冲星导航方式同样受制于导航目标源的可观性，精度则受制于脉冲信号积分计时的精度。二者还需考虑目标源星历误差及后期的数据处理方法。因此，在自主导航的连续性、自主性、实时性及高精度方面，两种方法无法同时兼顾，存在一定的缺陷。

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分辨率光栅型光谱导航仪设计系统及其设计方法。

根据本发明的一个方面，提供一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统，其特征在于，所述高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统包括：

集光及导星子系统，包括导星模块与集光模块，导星模块通过星点影像信息自主判读反馈，完成对导航目标源的捕获、跟瞄，集光模块则完成对导航目标源来光信号的接收；

色散及成像子系统，包括色散模块及成像光路，色散模块包括主色散高密度阶梯光栅和色散棱镜，针对导航目标源来光信号，完成光路准直后由主色散高密度阶梯光栅完成光谱主色散，再由色散棱镜完成横向色散，经后端成像系统记录于敏感器上；

定标子系统，采用激光频率梳技术，产生高精度高稳定度定标谱，对导航目标源来光信号的参考谱线进行高精度标定检测；

环境伺服子系统，针对航天器在轨环境对测量结果的影响机理及效果，通过地面前期及在轨测定建立环境参数闭环控制，完成环境参数漂移修正；

频率识别及拾取子系统，以谱图为对象，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，探测器导航系统据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息；

探测器导航系统，作为导航信息解算处理单元，根据前端提供的谱线中心波长信息，结合航天器测得的空间矢量信息，开展航天器在参考系下巡航速度解算，并积分获取位置信息，完成导航数据的收集和整理。

本发明还提供一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的设计方法，其特征在于，所述高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的设计方法包括以下步骤：

步骤一，根据深空探测任务背景，结合轨道参数设计规划并确定待观测目标源，获取其辐亮度、运动特性的物理信息，建立完整的目标源输入参数数据库；

步骤二，在步骤一基础上，完成系统全过程能力计算，确定集光子系统口径及光路，配以导星模块实现对星点像的自动识别，完成目标源捕获及跟踪，并设置光路切换功能，完成信号光与定标光的切换；

步骤三，在步骤二基础上，利用波导光纤实现光能耦合及传送，首先将信号光耦合导入光纤，传送至狭缝并对其良好照明，其间充分考虑光纤的耦合损耗；

步骤四，在步骤三基础上，对狭缝的出射照明光信号进行准直处理，照射至色散模块进行分光，完成主色散和横向色散两维处理过程，后经成像光学系统成像记录获得谱图；

步骤五，在步骤三、步骤四基础上，谱图获取过程中穿插完成定标，准确获取谱线信息；

步骤六，在步骤五基础上，考量谱图获取过程中在轨环境对测量精度的影响，通过地面前期及在轨测定的环境参数，由环境伺服子系统对探测数据实施环境参数漂移修正；

步骤七，在步骤五、步骤六基础上，由频率识别及拾取子系统完成谱图参考谱线峰值定位及提取，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，后者据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明原理简单，方法新颖，指标优越，是航天器导航仪设计的新方法和新突破，拓展了光谱仪在航天的应用范围，提高了光谱仪性能指标，可对我国光谱导航仪的研制提供重要指导和借鉴，在深空及近地航天器领域具备广阔的应用前景。本发明利用多普勒效应，对航天器与观测目标源间相对运动速度进行反演，在充分考虑航天器导航指标对导航仪分辨率要求的前提下，利用高密度阶梯光栅、窄狭缝、长焦距等手段提高导航仪分辨率，配以直接成像或干涉成像的方法得到谱图信息并提供给探测器导航系统，探测器导航系统对此实施解算并最终获取导航信息。本发明创新性地将光波多普勒频移测量与航天器在轨导航目标有机地结合起来，建立了导航系统模块间的功能接口关系，可满足航天器在轨长期连续自主、实时高精度的导航要求。

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为本发明高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的原理框图。

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，本发明高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统包括：

集光及导星子系统，包括导星模块1与集光模块2，导星模块通过星点影像信息自主判读反馈，完成对导航目标源的捕获、跟瞄，集光模块则完成对导航目标源来光信号的接收；

色散及成像子系统，包括色散模块3及成像光路4，色散模块3包括主色散高密度阶梯光栅和色散棱镜，针对导航目标源来光信号，完成光路准直后由主色散高密度阶梯光栅完成光谱主色散，再由色散棱镜完成横向色散，经后端成像系统记录于敏感器5上；成像光路4从光学成像角度对色散后的来光信号进行成像记录，获取的谱图提供频率识别及提取子系统进行分析处理。通过色散及成像子系统可获取携带航天器导航信息的谱图，以此为输入提供频率识别及拾取子系统，后者可采用曲线拟合(按照既定的谱线线型)及相关法运算等手段获得频移量，进而解算出航天器导航信息。

定标子系统，采用激光频率梳技术，利用其谱段宽、排列均匀、线宽窄、强度一致性好等优点产生高精度高稳定度定标谱，对导航目标源来光信号的参考谱线进行高精度标定检测；

环境伺服子系统，针对航天器在轨环境(温度、压力及微重力等)对测量结果的影响机理及效果，通过地面前期及在轨测定建立环境参数闭环控制，完成环境参数漂移修正；

频率识别及拾取子系统，以谱图为对象，采用软硬件搭配的方式，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，探测器导航系统据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息；

探测器导航系统，作为导航信息解算处理单元，根据前端提供的谱线中心波长信息，结合航天器测得的空间矢量信息，开展航天器在参考系下巡航速度解算，并积分获取位置信息，完成导航数据的收集和整理。

本发明基于多普勒效应，以太阳或系外恒星为导航目标源，考察光波段内因航天器与目标源间相对运动而产生的谱线移动，采用高密度阶梯光栅为主色散模块、激光频率梳为定标模块、窄宽度狭缝为照明物面、直接成像为信息收集手段等获取高分辨率的目标源谱图为目的的创新设计方法。本发明首次提出专门应用于深空及近地航天器自主导航功能的光谱类导航仪器，可实现长期连续自主、实时高精度导航要求。本发明首次将激光频率梳技术应用于在轨导航光谱类仪器，具备谱段宽、排列均匀、线宽窄、强度一致性好等特点。面对米级测速精度要求，以高密度阶梯光栅、窄狭缝、长焦距为手段，配以直接成像方法获取高精度谱图，在轨分辨率指标达到国际先进水平。本发明采用激光频率梳定标与高斯轮廓拟合的联合方式对谱线峰值进行定位与提取，通过优化的数据处理可达到或接近指标精度要求。本发明拓展了光谱仪在航天的应用范围，提高了光谱仪性能指标，可对我国光谱导航仪的研制提供重要指导和借鉴，在深空及近地航天器领域具备广阔的应用前景。

本发明高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的设计方法包括以下步骤：

步骤一，根据深空探测任务背景，结合轨道参数设计规划并确定待观测目标源，获取其辐亮度、运动特性等物理信息，建立完整的目标源输入参数数据库；

步骤二，在步骤一基础上，以目标源输入参数数据库为出发点，完成系统全过程能力计算，确定集光子系统口径及光路，配以导星模块实现对星点像的自动识别，完成目标源捕获及跟踪，并设置光路切换功能，完成信号光与定标光的切换；

步骤三，在步骤二基础上，利用波导光纤实现光能耦合及传送，首先将信号光耦合导入光纤，传送至狭缝并对其良好照明，其间充分考虑光纤的耦合损耗；

步骤四，在步骤三基础上，对狭缝的出射照明光信号进行准直处理，照射至色散模块进行分光，完成主色散和横向色散两维处理过程，后经成像光学系统成像记录获得谱图；

步骤五，在步骤三、步骤四基础上，谱图获取过程中穿插完成定标，准确获取谱线信息；定标子系统利用激光频率梳技术谱段宽、排列均匀、线宽窄、强度一致性好等优点实施在轨标定；

步骤六，在步骤五基础上，考量谱图获取过程中在轨环境对测量精度的影响，通过地面前期及在轨测定的环境参数(温度、压力及微重力等)，由环境伺服子系统对探测数据实施环境参数漂移修正；

步骤七，在步骤五、步骤六基础上，由频率识别及拾取子系统完成谱图参考谱线峰值定位及提取，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，后者据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息。

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 (2)

1.一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统，其特征在于，所述高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统包括：

集光及导星子系统，包括导星模块与集光模块，导星模块通过星点影像信息自主判读反馈，完成对导航目标源的捕获、跟瞄，集光模块则完成对导航目标源来光信号的接收；

色散及成像子系统，包括色散模块及成像光路，色散模块包括主色散高密度阶梯光栅和色散棱镜，针对导航目标源来光信号，完成光路准直后由主色散高密度阶梯光栅完成光谱主色散，再由色散棱镜完成横向色散，经后端成像系统记录于敏感器上；

定标子系统，采用激光频率梳技术，产生高精度高稳定度定标谱，对导航目标源来光信号的参考谱线进行高精度标定检测；

环境伺服子系统，针对航天器在轨环境对测量结果的影响机理及效果，通过地面前期及在轨测定建立环境参数闭环控制，完成环境参数漂移修正；

频率识别及拾取子系统，以谱图为对象，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，探测器导航系统据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息；

探测器导航系统，作为导航信息解算处理单元，根据前端提供的谱线中心波长信息，结合航天器测得的空间矢量信息，开展航天器在参考系下巡航速度解算，并积分获取位置信息，完成导航数据的收集和整理。

2.一种高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的设计方法，其特征在于，所述高分辨率光栅型光谱导航仪设计系统的设计方法包括以下步骤：

步骤一，根据深空探测任务背景，结合轨道参数设计规划并确定待观测目标源，获取其辐亮度、运动特性的物理信息，建立完整的目标源输入参数数据库；

步骤二，在步骤一基础上，完成系统全过程能力计算，确定集光及导星子系统口径及光路，配以导星模块实现对星点像的自动识别，完成目标源捕获及跟踪，并设置光路切换功能，完成信号光与定标光的切换；

步骤三，在步骤二基础上，利用波导光纤实现光能耦合及传送，首先将信号光耦合导入光纤，传送至狭缝并对其良好照明，其间充分考虑光纤的耦合损耗；

步骤四，在步骤三基础上，对狭缝的出射照明光信号进行准直处理，照射至色散模块进行分光，完成主色散和横向色散两维处理过程，后经成像系统成像记录获得谱图；

步骤五，在步骤三、步骤四基础上，谱图获取过程中穿插完成定标，准确获取谱线信息；

步骤六，在步骤五基础上，考量谱图获取过程中在轨环境对测量精度的影响，通过地面前期及在轨测定的环境参数，由环境伺服子系统对探测数据实施环境参数漂移修正；

步骤七，在步骤五、步骤六基础上，由频率识别及拾取子系统完成谱图参考谱线峰值定位及提取，结合定标数据将参考谱线固有频率及多普勒频移量输出至探测器导航系统，后者据此完成解算并获取最终航天器速度及位置信息。