CN109781142A - 测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其试验方法，包括：环境模拟子系统根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据至测角导航子系统，及输出第二数据至测速导航子系统；测角导航子系统根据第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；测速导航子系统根据第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；组合导航子系统根据测角导航估计结果和测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果。本发明可在真实环境中，验证测角测速导航方法的有效性，为深空探测工程导航任务提供理论与技术支撑，同时降低技术成本，缩短研制周期，具有很强的工程价值。

Description

测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及深空导航技术领域，具体地，涉及基于真实噪声的测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其试验方法。

背景技术

当前深空探测的自主导航技术大多通过天文测角或测距信息来实现导航状态的实时估计，受目标天体观测条件约束原因，无法保证长期获取实时的、连续的导航信息。当前测角导航技术已在国外深空探测工程中得到实现，空间测速导航仪也已经完成了原理样机的工程化，结合测角导航对位置高精度的估计，测角测速组合导航方法可有效实现探测器连续自主、实时高精度导航，在深空探测任务中潜力巨大。

面对后续深空探测任务对高性能自主导航的需求，对测角测速组合导航开展试验研究迫切而且必要。由于航天在轨空间实时实验费用大，当前国内外均采用室内半物理仿真系统开展实验研究。对于半物理仿真验证系统，如何获取真实环境中模型的噪声特性是其难点之一。

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测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其试验方法。

根据本发明提供的一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统，包括：环境模拟子系统、测角导航子系统、测速导航子系统和组合导航子系统；

所述环境模拟子系统根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据至所述测角导航子系统，及输出第二数据至所述测速导航子系统；

所述测角导航子系统根据所述第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；所述测速导航子系统根据所述第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；

所述组合导航子系统根据所述测角导航估计结果和所述测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果。

较佳的，以高阶模型作为标称轨道，与导航模型中动力学产生的轨道对比，通过统计标称轨道与轨道的差值时间序列特性，作为所述真实的轨道动力学噪声；

所述高阶模型是指在计算轨道时采用高精度的轨道动力学模型，高阶模型的截断误差更小，产生标称轨道；所述导航模型是指在导航解算轨道时采用实际存在比高阶模型更大截断误差的轨道动力学模型，产生导航模型中的轨道。

较佳的，通过所述环境模拟子系统中的动力学模型驱动所述测角导航子系统中的导航图像模拟器，剔除探测器与导航图像目标天体相对运动影响，统计导航图像信息偏差的时间序列特性，作为所述真实的图像噪声。

较佳的，通过所述环境模拟子系统中的动力学模型驱动所述测速导航子系统中的导航光谱模拟器，剔除探测器和导航光谱目标天体相对运动影响，统计光谱偏移误差的时间序列特征，作为所述真实的光谱噪声。

较佳的，所述测角导航子系统包括：导航图像模拟器、测角导航敏感器和测角导航算法模块；

所述导航图像模拟器根据所述第一数据以及所述真实的导航图像噪声产生当前时刻探测器所观测到的图像信号；

所述测角导航敏感器对所述图像信号进行图像信息处理和提取算法，输出导航目标图像质心参数；

所述测角导航算法模块根据导航目标图像质心参数得到所述测角导航估计结果。

较佳的，所述测速导航子系统包括：导航光谱模拟器、测速导航敏感器和测速导航算法模块；

所述导航光谱模拟器根据所述第二数据以及所述真实的导航光谱噪声产生当前时刻探测器所观测到的光谱信号；

所述测速导航敏感器对所述光谱信息进行光谱信息处理和提取算法，输出太阳/恒星相对探测器的相对速度大小；

所述测速导航算法模块根据太阳/恒星相对探测器的相对速度得到所述测速导航估计结果。

较佳的，所述第一数据包括：根据探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，解算得到的测角导航相机的光轴指向参数。

较佳的，所述第二数据包括：解算得到的太阳/恒星相对探测器的速度。

较佳的，还包括导航性能评估与演示子系统；

所述导航性能评估与演示子系统对所述测角测速组合导航估计结果、输出测角导航估计结果和所述测速导航估计结果进行评估及演示。

根据本发明提供的一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统的试验方法，包括：环境模拟步骤、测角导航步骤、测速导航步骤和组合导航步骤；

所述环境模拟步骤根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据和第二数据；

所述测角导航步骤根据所述第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；

所述测速导航步骤根据所述第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；

所述组合导航步骤根据所述测角导航估计结果和所述测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明可在真实环境中，验证测角测速导航方法的有效性，为深空探测工程导航任务提供理论与技术支撑，同时降低技术成本，缩短研制周期，具有很强的工程价值。

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为本发明的工作流程图；

图2为本发明的硬件连接关系示意图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供的一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统，包括：环境模拟子系统1、测角导航子系统2、测速导航子系统3、组合导航子系统4，以及导航性能评估与演示子系统5。

环境模拟子系统1根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据至测角导航子系统2，及输出第二数据至测速导航子系统3；测角导航子系统2根据第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；测速导航子系统3根据第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；组合导航子系统4根据测角导航估计结果和测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果；导航性能评估与演示子系统5对测角测速组合导航估计结果、输出测角导航估计结果和测速导航估计结果进行评估及演示。

真实的轨道动力学噪声，是以高阶模型作为标称轨道，与导航模型中动力学产生的轨道对比，通过统计标称轨道与轨道差值时间序列特性，作为真实的轨道动力学噪声。

所述高阶模型是指在计算轨道时采用高精度的轨道动力学模型，高阶模型的截断误差更小，产生标称轨道；所述导航模型是指在导航解算轨道时采用实际存在比高阶模型更大截断误差的轨道动力学模型，产生导航模型中的轨道。

真实的图像噪声，是通过环境模拟子系统1中的动力学模型101驱动测角导航子系统中的导航图像模拟器，剔除探测器与导航图像目标天体相对运动影响，统计导航图像信息偏差的时间序列特性，作为真实的图像噪声。

真实的光谱噪声，是通过环境模拟子系统1中的动力学模型101驱动测速导航子系统中的导航光谱模拟器，剔除探测器和导航光谱目标天体相对运动影响，统计光谱偏移误差的时间序列特征，作为真实的光谱噪声。

测角导航子系统2包括：导航图像模拟器201、测角导航敏感器202和测角导航算法模块203；导航图像模拟器201根据第一数据以及真实的导航图像噪声产生当前时刻探测器所观测到的图像信号；测角导航敏感器202对图像信号进行图像信息处理和提取算法，输出导航目标图像质心参数；测角导航算法模块203根据导航目标图像质心参数得到测角导航估计结果。第一数据包括：根据探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，解算得到的测角导航相机的光轴指向参数。

测速导航子系统3包括：导航光谱模拟器301、测速导航敏感器302和测速导航算法模块303；导航光谱模拟器301根据第二数据以及真实的导航光谱噪声产生当前时刻探测器所观测到的光谱信号；测速导航敏感器302对光谱信息进行光谱信息处理和提取算法，输出太阳/恒星相对探测器的相对速度大小；测速导航算法模块303根据太阳/恒星相对探测器的相对速度得到测速导航估计结果。第二数据包括：解算得到的太阳/恒星相对探测器的速度。

在上述一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统的基础上，本发明还提供的一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统的试验方法，包括：环境模拟步骤、测角导航步骤、测速导航步骤、组合导航步骤和导航性能评估与演示步骤。

环境模拟步骤根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据和第二数据；测角导航步骤根据第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；测速导航步骤根据第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；组合导航步骤根据测角导航估计结果和测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果；导航性能评估与演示步骤对测角测速组合导航估计结果、输出测角导航估计结果和测速导航估计结果进行评估及演示。

在此之前，还需要进行系统初始化：

(1)基于真实的动力学噪声，初始化深空动力学环境，包括开始时刻、行星星历、恒星星历以及探测器的初始位姿等参数；同时基于动力学驱动的导航目标图像真实噪声模型和真实太阳/恒星光谱噪声模型，初始化图像噪声和光谱噪声。

(2)基于真实的图像噪声和光谱噪声，结合当前时刻动力学环境参数，对测角导航中导航图像模拟器、测速导航中导航光谱模拟器进行初始化。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，包括：环境模拟子系统、测角导航子系统、测速导航子系统和组合导航子系统；

所述环境模拟子系统根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据至所述测角导航子系统，及输出第二数据至所述测速导航子系统；

所述测角导航子系统根据所述第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；所述测速导航子系统根据所述第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；

所述组合导航子系统根据所述测角导航估计结果和所述测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果。

2.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，以高阶模型作为标称轨道，与导航模型中动力学产生的轨道对比，通过统计标称轨道与轨道的差值时间序列特性，作为所述真实的轨道动力学噪声；

所述高阶模型是指在计算轨道时采用高精度的轨道动力学模型，高阶模型的截断误差更小，产生标称轨道；所述导航模型是指在导航解算轨道时采用实际存在比高阶模型更大截断误差的轨道动力学模型，产生导航模型中的轨道。

3.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，通过所述环境模拟子系统中的动力学模型驱动所述测角导航子系统中的导航图像模拟器，剔除探测器与导航图像目标天体相对运动影响，统计导航图像信息偏差的时间序列特性，作为所述真实的图像噪声。

4.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，通过所述环境模拟子系统中的动力学模型驱动所述测速导航子系统中的导航光谱模拟器，剔除探测器和导航光谱目标天体相对运动影响，统计光谱偏移误差的时间序列特征，作为所述真实的光谱噪声。

5.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，所述测角导航子系统包括：导航图像模拟器、测角导航敏感器和测角导航算法模块；

所述导航图像模拟器根据所述第一数据以及所述真实的导航图像噪声产生当前时刻探测器所观测到的图像信号；

所述测角导航敏感器对所述图像信号进行图像信息处理和提取算法，输出导航目标图像质心参数；

所述测角导航算法模块根据导航目标图像质心参数得到所述测角导航估计结果。

6.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，所述测速导航子系统包括：导航光谱模拟器、测速导航敏感器和测速导航算法模块；

所述导航光谱模拟器根据所述第二数据以及所述真实的导航光谱噪声产生当前时刻探测器所观测到的光谱信号；

所述测速导航敏感器对所述光谱信息进行光谱信息处理和提取算法，输出太阳/恒星相对探测器的相对速度大小；

所述测速导航算法模块根据太阳/恒星相对探测器的相对速度得到所述测速导航估计结果。

7.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，所述第一数据包括：根据探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，解算得到的测角导航相机的光轴指向参数。

8.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，所述第二数据包括：解算得到的太阳/恒星相对探测器的速度。

9.根据权利要求1所述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，其特征在于，还包括导航性能评估与演示子系统；

所述导航性能评估与演示子系统对所述测角测速组合导航估计结果、输出测角导航估计结果和所述测速导航估计结果进行评估及演示。

10.一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统的试验方法，其特征在于，包括：环境模拟步骤、测角导航步骤、测速导航步骤和组合导航步骤；

所述环境模拟步骤根据真实的轨道动力学噪声，输出第一数据和第二数据；

所述测角导航步骤根据所述第一数据以及真实的导航图像噪声，得到测角导航估计结果；

所述测速导航步骤根据所述第二数据以及真实的导航光谱噪声，得到测速导航估计结果；

所述组合导航步骤根据所述测角导航估计结果和所述测速导航估计结果，得到测角测速组合导航估计结果。