CN113686361A - 火星探测天地协同导航地面验证系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火星探测天地协同导航地面验证系统及方法，其特征在于，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。本发明对于火星环绕器导航系统设计，提升导航算法验证效率有良好效果。本发明的应用取得降低试验成本、提高深空导航系统设计效率、提高深空探测器导航性能等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及航天器试验技术，具体地，涉及火星探测天地协同导航地面验证方法及系统。
背景技术
火星探测任务需要面对距离遥远，飞行时间长，数据传输速率有限，深空环境未知复杂等一系列问题，地面测控存在实时性与应急性的限制。深空导航是确保探测任务成功的关键，深空自主导航技术作为对地面无线电导航的重要辅助，对探测任务的顺利完成具有重要意义。目前发展的深空自主导航主要是以光学成像测量为基础的自主导航技术。光学导航可以实时、自主地提供探测器导航信息，通过与地面测定轨信息的融合，实现天地协同导航，提升导航精度。
火星探测天地协同导航精度是影响火星捕获等关键动作的首要因素，地面验证环节多、难度大，为了解决导航系统功能和指标地面验证难题，提出一种火星探测天地协同导航地面验证方法，该天地协同导航验证系统能够实现火星捕获段和绕火轨道段器地组合导航过程的验证和评估。
专利文献CN109059935B(申请号：201810672451.8)公开了一种火星捕获接近段地面导航与器上自主导航切换方法，其包括以下步骤：步骤一：火星探测器在接近火星过程中，在巡航段距离火星1000万公里至10万公里处，光学导航敏感器开机；步骤二：根据无线电导航与光学导航测量数据，分析无线电导航、光学导航精度；步骤三：确定地面无线电导航绝对优先策略/器上光学自主导航绝对优先策略/组合导航信息融合策略等导航切换策略；步骤四：至距离火星小于10万公里时，光学导航敏感器关机，切换至地面无线电导航。该专利与本发明要求内容接近，但前者偏重根据无线电导航与光学导航精度进行导航方法切换，而本发明侧重对地面无线电导航与光学自主导航所组成的组合导航系统的验证。
专利文献CN102168981B(申请号：201110006639.7)公开了一种深空探测器火星捕获段自主天文导航方法。根据圆形限制性四体轨道动力学模型建立深空探测器的状态模型；利用敏感器获得火星、火星卫星以及背景恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为火星、火星卫星以及背景恒星的角度信息，建立火星、火卫一和火卫二的角度量测模型；并使用q-method方法估计探测器姿态信息，结合Unscented卡尔曼滤波估计深空探测器的位置和速度。本发明估计精度高，非常适用于火星捕获的自主导航。该专利与本发明相比，前者偏重利用火星及卫星观测角度信息进行捕获段自主导航，而本发明侧重对地面导航和探测器自主导航方法的验证。
专利文献CN105509750B(申请号：201510847818.1)公开了一种天文测速与地面无线电组合的火星捕获段导航方法，包括以下步骤：地面站通过无线电测距，获得探测器与地面之间距离；地面站通过无线电多普勒测速，获得探测器与地面站之间的视向速度；探测器通过自主测速导航敏感器，获得探测器与某个恒星间的视向速度；通过扩展卡尔曼滤波，得到天地组合导航的位置与速度估计。该专利与本发明相比，前者偏重利用恒星视向速度和探测器与地面站之间测速组合的导航方法，而本发明侧重对火星探测天地协同导航方法的验证。
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火星探测天地协同导航地面验证系统及方法。
根据本发明提供的一种火星探测天地协同导航地面验证系统，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
优选地，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
优选地，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据。
优选地，地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
优选地，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据。
优选地，导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
根据本发明提供的一种火星探测天地协同导航地面验证方法，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
优选地，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
优选地，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据；
地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
优选地，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据；
导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过模拟火星探测自主光学导航和地面无线电导航，以及模拟两者的组合导航技术特征，实现火星探测天地协同导航验证技术效果；
2、本发明的应用取得降低试验成本、提高深空导航系统设计效率、提高深空探测器导航性能等有益效果；
3、本发明解决了火星探测天地协同导航功能和指标地面验证难题。
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为本发明火星探测天地协同导航验证系统组成图。
图2为本发明火星导航成像图像。
图3为矫正后的边缘点集合。
图4为测控站测量信息计算。
图5为数据融合滤波位置误差。
图6为数据融合滤波速度误差。
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。
实施例1
本发明涉及航天器试验技术领域，公开了火星探测天地协同导航地面验证方法及系统，如图1所示，能够模拟近火段导航图像的生成，如图2所示、火星边缘点提取和校正，如图3所示，完成由地面无线电导航与光学自主导航所组成的火星环绕器组合导航过程模拟，以支持火星环绕器全过程中器地组合导航系统设计。
根据本发明提供的一种火星探测天地协同导航地面验证系统，包括：模拟接近火星阶段地面无线电导航与光学自主导航的组合导航过程。火星探测天地协同导航验证系统由轨道发生器模块，光学导航模块、地面无线电导航模块、导航滤波算法模块、导航误差分析模块组成。能够实现火星捕获段和绕火轨道段器地组合导航过程的验证和评估，以支持火星环绕器全过程中器地组合导航系统设计。
根据本发明提供的一种火星探测天地协同导航地面验证系统，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
具体地，以实现探测火星不同的轨道阶段的仿真分析为基础，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
具体地，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据。
具体地，地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
具体地，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据。
具体地，导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
根据本发明提供的一种火星探测天地协同导航地面验证方法，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
具体地，以实现探测火星不同的轨道阶段的仿真分析为基础，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
具体地，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据。
具体地，地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
具体地，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据。
具体地，导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
火星探测天地协同导航验证系统完成由地面无线电导航与光学自主导航所组成的火星环绕器组合导航过程模拟，以支持火星环绕器全过程中器地组合导航系统设计。火星探测天地协同导航地面验证系统由轨道发生器模块，光学导航模块、地面无线电导航模块、导航滤波算法模块、导航误差分析模块组成，组成如图1所示。实现将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选取最优的导航模式(自主光学导航、地面无线电导航、组合导航)并模拟导航系统模式的切换过程。
1)轨道发生器模块
以实现探测火星不同的轨道阶段的仿真分析为基础，轨道发生器模块仿真设计为适用于火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种模型和精度下的轨道求解运算，并能够分别针对于各个模型下的轨道仿真精度进行分析验证。
该模块仿真实现：根据轨道动力学模型，进行环绕器轨道参数计算、火卫的动力学仿真。为仿真环绕器器地组合导航，首先利用轨道发生器模块产生模拟的轨道数据从而模拟测量量，另外火卫的轨道数据可以由外部文件输入，也可以由火卫的初始值基于对火卫的高精度轨道模型仿真得到。轨道发生器模块除了提供基本的轨道模型以及轨道参数外，还构建了器地组合仿真系统各个模块所需的时间以及空间坐标系统。
2)光学导航模块
光学系统导航模块能够模拟目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定等光学自主导航的各个过程。该模块通过采集火星三维仿真图像进行处理，为数据融合与导航算法模块提供火星质心像素等数据。
硬件部分包括光学相机及数据采集系统；软件部分包括图像采集和处理软件。由于轨道发生器模块生成的火星仿真图像是根据轨道、姿态信息计算的在探测器照相机中看到的火星图像，在火星探测接近段中，对拍摄到的火星图像进行处理，就可以得到包含探测器相对于火星方向矢量信息的像元像素。所以此模块对相应的火星图像或像素坐标进行处理得到相应的火星中心点像素坐标，传递给数据融合与滤波算法模块。
因为深空真空环境的缘故，拍摄火星的图像背景会是纯黑色。为了获得更高的火星边缘分辨率、便于提取边缘并处理火星的质心位置，相机要以大光圈拍摄图像。相机拍得的图像由于曝光的原因火星整体为一个白色亮斑，如图2所示。图像采集完成后，需要对采集到的光学图像进行质心提取处理。首先进行边缘检测，然后，对图像作校正。对图像进行二值化处理得到矫正后的边缘点集合如图3所示。
对所有边缘点，随机抽取3个点计算其形成的圆的圆心坐标和半径，给定误差Δ判断其余的点是否在这个圆的误差允许范围内并计数，当计数大于设定的阈值时即认为这个圆就是火星的边缘形成的圆；若计数小于阈值则重新随机抽取三个点重复上述运算直到得出满足要求的圆。
3)地面无线电导航模块
地面无线电导航模块的主要目的为建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。地面深空测控系统通过与深空探测器所载的测控合作目标配合，获取深空探测器相对地球的速度、距离和角度信息。深空探测器的地基导航主要采用无线电跟踪测量数据，数据类型包括多普勒测速、测距和干涉测角。将轨道发生器模块得到的探测器的位置速度视为真实值，已知地面深空站的具体位置，则可以通过相应的坐标转换，将探测器的位置速度转换到测站坐标系下，模拟测量噪声，得到测量数据。
根据要求，深空站的观测仰角为10deg，所以探测器对深空站的可见性由探测器在测站坐标系中的位置确定。即要求探测器方向矢量在测站坐标系中与Z轴正方向夹角不超过80deg，具体流程如图4所示。
4)信息融合与导航算法模块
信息融合与导航算法模块能够接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合处理。导航滤波算法模块利用前面光学导航模块得到的观测信息以及地面无线电导航模块得到的观测信息进行导航解算，获得探测器的位置、速度等信息。根据观测信息，对探测器状态量进行滤波处理的算法主要采用扩展卡尔曼滤波(EKF)和Unscented卡尔曼滤波(UKF)。
在此系统中，观测数据即为上文所述的具体测距、测速和处理图像得到的位置信息，这些处理过程中同时得到观测的噪声信息，作为滤波算法的输入。算法所用轨道计算模型按照要求能够自由的设置精度，确定模型噪声，从而实现导航算法的迭代计算，迭代周期按照地面数据上传和图像处理周期能够自由设定。
5)导航误差分析模块
导航系统中，引用的滤波算法的构成设计及其性能都依赖于相应的力学模型和观测模型的精度。采用协方差分析定轨的误差，在协方差分析框架下分析测定轨误差，首先要考虑非估值常数、力学模型和测量模型参数的影响，这方面的误差会引起系统误差(导致有偏估计)；还要考虑统计误差的影响，包括数据噪声方差和先验值误差方差等。根据协方差定义与滤波算法可以得到在某一特定时刻的系统的协方差矩阵，进而进一步得出误差椭圆从而确定测定轨的误差分布范围。
实施例3
实施例3是实施例1和/或实施例2的优选例
下面结合附图说明本发明的优选实施例。
利用地面无线电导航模块，计算接近火星过程中，使用5天测轨数据定轨，预报1天至变轨时刻，位置误差和速度误差可在界面设置，按径向(R)、切向(T)、法向(N)三个方向。
利用轨道发生器模块，计算接近火星过程的轨道参数，组合导航过程从距火星1000万km开始，1000万km至火星影响球边缘考虑太阳引力、各大天体引力摄动，火星影响球内考虑火星引力、火星低阶非球形摄动、太阳引力摄动。
利用光学系统导航模块进行光学导航模拟，在界面进行设置，设置导航相机测量精度、数据输出周期等参数：
(1)视场：8°×6°
(2)测量精度：CMOS平面：≤0.1″(1σ)，光轴方向：≤1″(1σ)
(3)可以输出图像，也可以输出火星视线角，成像及数据输出周期为30s；
星历表可在界面进行选择，可选择DE405、DE421等多种星历数据。器上轨道计算星历表可采用12h间隔的二次插值数值历表。
模拟将地面无线电测量的定轨结果上注，和星上光学测量数据融合滤波的导航滤波结果如下所示。随滤波时间增长，位置、速度误差显著下降，数据融合滤波位置误差见图5，数据融合滤波速度误差见图6。
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、装置及其各个模块以外，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、装置及其各个模块以逻辑门、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程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块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程序的模块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模块视为既可以是实现方法的软件程序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)
1.一种火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
2.根据权利要求1所述的火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
3.根据权利要求1所述的火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据。
4.根据权利要求1所述的火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
5.根据权利要求1所述的火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据。
6.根据权利要求1所述的火星探测天地协同导航地面验证系统，其特征在于，导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
7.一种火星探测天地协同导航地面验证方法，其特征在于，包括：将光学导航敏感器数据与地面测定轨数据的信息融合，并根据导航信息的状态，自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程；
所述导航模式包括自主光学导航、地面无线电导航和组合导航。
8.根据权利要求7所述的火星探测天地协同导航地面验证方法，其特征在于，轨道发生器模块提供火星探测器在接近段、捕获段以及环绕段的多种轨道模型和精度下的轨道求解运算，为光学导航模块和地面无线电导航模块提供轨道输入参数，并能够分别基于多个轨道模型的轨道仿真精度进行分析验证。
9.根据权利要求7所述的火星探测天地协同导航地面验证方法，其特征在于，光学系统导航模块模拟包括目标天体拍摄、图像处理、视线角计算以及轨道确定的光学自主导航的各个过程；并通过采集火星三维仿真图像进行处理，得到火星质心像素数据；
地面无线电导航模块建立多个地面深空站测量模型，自主确定火星探测器对各个测站的可见性，并输出地面导航信息。
10.根据权利要求7所述的火星探测天地协同导航地面验证方法，其特征在于，信息融合与导航算法模块将接收光学自主导航和地面无线电导航的信息进行数据融合，得到融合后的导航数据；
导航误差分析模块基于轨道发生器模块得到的模拟的探测器位置和速度信息与融合后的导航数据根据协方差定义得到预设时刻协方差矩阵，根据协方差矩阵得到误差椭圆，根据测定轨的误差分布范围自主选择最优导航模式并模拟导航系统模式的切换过程。
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- 2021-08-31 CN CN202111016257.2A patent/CN113686361B/zh active Active
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