CN114562991A - 基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法，该导航仪包括：星敏感器、2N个干涉孔径、2N个多自由度调节支架、数据处理与控制系统和隔振平台；星敏感器和数据处理与控制系统设置在多自由度调节支架中心，数据处理与控制系统位于星敏感器下方；各干涉孔径以星敏感器为中心均布在隔振平台上；各多自由度调节支架分别设置在各干涉孔径与隔振平台之间。本发明可实现亚毫角秒量级的精确指向测量，满足相对论效应的高精度指向测量需求，适用于工程应用。

Description

基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法
技术领域
本发明属于仪器科学技术领域，尤其涉及一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法。
背景技术
相对论效应如光行差、引力偏折等与飞行器在轨参数直接联系，通过测量光行差和引力偏折可以实现天文自主导航。光行差和引力偏折一般只有亚毫角秒量级，因此，相对论天文效应自主导航的基础是高精度指向测量。
目前，星敏感器的指向测量精度只能达到毫角秒量级，基于亚毫角秒级的测量精度并实现相对论效应自主导航的仪器尚且没有研究。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法，可实现亚毫角秒量级的精确指向测量，满足相对论效应的高精度指向测量需求。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，包括：星敏感器、2N个干涉孔径、2N个多自由度调节支架、数据处理与控制系统和隔振平台；其中，N≥3；
星敏感器和数据处理与控制系统设置在多自由度调节支架中心；其中，数据处理与控制系统位于星敏感器下方；
各干涉孔径以星敏感器为中心均布在隔振平台上；
各多自由度调节支架分别设置在各干涉孔径与隔振平台之间。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，星敏感器，用于：
实时捕获并识别视场内的恒星，从识别到的视场内的若干个恒星中选取N颗导航星；
对N颗导航星分别进行成像；
将N颗导航星的成像分别与已知星表进行匹配，得到各颗导航星的粗指向。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，数据处理与控制系统，用于：
根据星敏感器输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星；在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹；
根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，数据处理与控制系统在根据星敏感器输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径分别对准对应的导航星时，包括：
根据星敏感器输出的各颗导航星的粗指向，通过多自由度调节支架对相应的对干涉孔径进行位移和/或指向调整；
对各干涉孔径的方向进行实时监视和测量，得到干涉孔径的实时方向；
若得到的干涉孔径的实时方向与相应的导航星的粗指向之差小于设置阈值，则确定当前迈克尔逊恒星干涉仪与相应的导航星完成了对准；否则，通过多自由度调节支架对相应的干涉孔径继续进行位移和/或指向调整。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，数据处理与控制系统，还用于：
将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距；
根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折；
根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置；
将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，多自由度调节支架为高精度位移台或者三轴转台，用于在数据处理与控制系统的控制下运动，对相应位置处的干涉孔径的位移和/或指向进行调整。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，干涉孔径为小视场光学孔径；2N个干涉孔径两两为一组，一组下的两个干涉孔径形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，得到N个迈克尔逊恒星干涉仪；其中，每个迈克尔逊恒星干涉仪中还包括一个探测器。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，隔振平台为2N边形，2N个干涉孔径分别设置在2N边形的2N个顶点位置处。
在上述基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中，隔振平台为气浮平台或机械隔振平台。
相应的，本发明还公开了一种基于相对论天文效应导航仪的自主导航方法，包括：
筛选得到N颗导航星，并确定各颗导航星的粗指向；
根据各颗导航星的粗指向，对基于相对论天文效应导航仪中的2N个干涉孔径进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星；
获取各颗导航星的实际干涉条纹；其中，在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹；
根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向；
将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距；
根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折；
根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置；
将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法，可实现亚毫角秒量级的精确指向测量，满足相对论效应的高精度指向测量需求，可为光学测量、天文测量和自主导航等科学应用提供极高的测量基准。
(2)本发明公开了一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法，实现简单、稳定可靠、体积重量较低，基线以及测量精度灵活可调，多功能一体化。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪的结构框图；
图2是本发明实施例中一种基于相对论天文效应导航仪的自主导航方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，包括：星敏感器1、2N个干涉孔径2、2N个多自由度调节支架3、数据处理与控制系统4和隔振平台5。其中，星敏感器1和数据处理与控制系统4设置在多自由度调节支架3中心，数据处理与控制系统4位于星敏感器1下方；各干涉孔径2以星敏感器1为中心均布在隔振平台5上；各多自由度调节支架3分别设置在各干涉孔径2与隔振平台5之间。N一般取不小于3的整数。
在本实施例中，该基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪中各设备的具体功能如下：
星敏感器1用于：实时捕获并识别视场内的恒星，从识别到的视场内的若干个恒星中选取N颗导航星；对N颗导航星分别进行成像；将N颗导航星的成像分别与已知星表进行匹配，得到各颗导航星的粗指向。其中，在选取导航星时尽量遵循如下原则：应尽量处于星敏感器视场边缘、亮度较高、位置比较分散的恒星作为导航星，以便干涉孔径更易捕获和识别到该导航星。
数据处理与控制系统4用于：根据星敏感器1输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径2进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径2分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径2两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星；在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹。进一步的，根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向。更进一步的，将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距；根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折；根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置；将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
多自由度调节支架3用于：在数据处理与控制系统4的控制下运动，对相应位置处的干涉孔径2的位移和/或指向进行调整。其中，多自由度调节支架3具体可以但不仅限于是一高精度位移台或者三轴转台。
在本实施例中，数据处理与控制系统4在根据星敏感器1输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径2进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径2分别对准对应的导航星时，具体可以包括：根据星敏感器1输出的各颗导航星的粗指向，通过多自由度调节支架3对相应的对干涉孔径2进行位移和/或指向调整；对各干涉孔径2的方向进行实时监视和测量，得到干涉孔径2的实时方向；若得到的干涉孔径2的实时方向与相应的导航星的粗指向之差小于设置阈值，则确定当前迈克尔逊恒星干涉仪与相应的导航星完成了对准；否则，通过多自由度调节支架3对相应的干涉孔径2继续进行位移和/或指向调整。
在本实施例中，干涉孔径2可以为小视场光学孔径。2N个干涉孔径2两两为一组，一组下的两个干涉孔径形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，得到N个迈克尔逊恒星干涉仪；其中，每个迈克尔逊恒星干涉仪中还包括一个探测器，用于干涉条纹的形成。隔振平台5可以但不仅限于是一2N边形，2N个干涉孔径2分别设置在2N边形的2N个顶点位置处。隔振平台5可以但不仅限于是一气浮平台或机械隔振平台。
需要说明的是，迈克尔逊恒星干涉仪的干涉测量测量精度由光程差测量精度和干涉孔径之间的基线长度确定，可达到亚毫角秒量级。干涉孔径之间的基线长度是指：一个迈克尔逊恒星干涉仪下的两个干涉孔径之间的距离，该距离可根据实际测量精度需求进行灵活调整。
在上述实施例的基础上，如图2，本发明还公开了一种基于相对论天文效应导航仪的自主导航方法，包括：
步骤101，筛选得到N颗导航星，并确定各颗导航星的粗指向。
步骤102，根据各颗导航星的粗指向，对基于相对论天文效应导航仪中的2N个干涉孔径进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星。
步骤103，获取各颗导航星的实际干涉条纹。其中，在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹。
步骤104，根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向。
步骤105，将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距。
步骤106，根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折。
步骤107，根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置。
步骤108，将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
对于方法实施例而言，由于其与装置实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其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方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，包括：星敏感器(1)、2N个干涉孔径(2)、2N个多自由度调节支架(3)、数据处理与控制系统(4)和隔振平台(5)；其中，N≥3；
星敏感器(1)和数据处理与控制系统(4)设置在多自由度调节支架(3)中心；其中，数据处理与控制系统(4)位于星敏感器(1)下方；
各干涉孔径(2)以星敏感器(1)为中心均布在隔振平台(5)上；
各多自由度调节支架(3)分别设置在各干涉孔径(2)与隔振平台(5)之间。
2.根据权利要求1所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，星敏感器(1)，用于：
实时捕获并识别视场内的恒星，从识别到的视场内的若干个恒星中选取N颗导航星；
对N颗导航星分别进行成像；
将N颗导航星的成像分别与已知星表进行匹配，得到各颗导航星的粗指向。
3.根据权利要求2所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，数据处理与控制系统(4)，用于：
根据星敏感器(1)输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径(2)进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径(2)分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径(2)两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星；在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹；
根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向。
4.根据权利要求3所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，数据处理与控制系统(4)在根据星敏感器(1)输出的各颗导航星的粗指向，对各干涉孔径(2)进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径(2)分别对准对应的导航星时，包括：
根据星敏感器(1)输出的各颗导航星的粗指向，通过多自由度调节支架(3)对相应的对干涉孔径(2)进行位移和/或指向调整；
对各干涉孔径(2)的方向进行实时监视和测量，得到干涉孔径(2)的实时方向；
若得到的干涉孔径(2)的实时方向与相应的导航星的粗指向之差小于设置阈值，则确定当前迈克尔逊恒星干涉仪与相应的导航星完成了对准；否则，通过多自由度调节支架(3)对相应的干涉孔径(2)继续进行位移和/或指向调整。
5.根据权利要求3所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，数据处理与控制系统(4)，还用于：
将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距；
根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折；
根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置；
将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
6.根据权利要求3所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，多自由度调节支架(3)为高精度位移台或者三轴转台，用于在数据处理与控制系统(4)的控制下运动，对相应位置处的干涉孔径(2)的位移和/或指向进行调整。
7.根据权利要求1所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，干涉孔径(2)为小视场光学孔径；2N个干涉孔径(2)两两为一组，一组下的两个干涉孔径形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，得到N个迈克尔逊恒星干涉仪；其中，每个迈克尔逊恒星干涉仪中还包括一个探测器。
8.根据权利要求1所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，隔振平台(5)为2N边形，2N个干涉孔径(2)分别设置在2N边形的2N个顶点位置处。
9.根据权利要求1所述的基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪，其特征在于，隔振平台(5)为气浮平台或机械隔振平台。
10.一种基于相对论天文效应导航仪的自主导航方法，其特征在于，包括：
筛选得到N颗导航星，并确定各颗导航星的粗指向；
根据各颗导航星的粗指向，对基于相对论天文效应导航仪中的2N个干涉孔径进行位移和/或指向调整，使各干涉孔径分别与一个相应的导航星对准；其中，2N个干涉孔径两两为一组形成一个迈克尔逊恒星干涉仪，一个迈克尔逊恒星干涉仪对准相应的一颗导航星；
获取各颗导航星的实际干涉条纹；其中，在各迈克尔逊恒星干涉仪分别与相应的导航星对准后，导航星在相应的迈克尔逊恒星干涉仪的探测器上形成干涉条纹，记作实际干涉条纹；
根据预先的标定结果与实际干涉条纹的对比结果，计算得到相应的导航星的精指向；
将得到的N颗导航星的精指向逐差，得到各颗导航星之间的角距；
根据各颗导航星的精指向，以及各颗导航星之间的角距，计算得到各颗导航星的光行差和引力偏折；
根据光行差，计算得到飞行器的速度；根据引力偏折，计算得到飞行器的位置；
将计算得到的飞行器的速度和飞行器的位置作为飞行器的在轨参数输出，实现飞行器的自主导航。
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