专利名称：深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自主导航仿真试验系统，特别是一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，属于自主导航技术领域。
背景技术：
自主导航技术是指卫星在不依赖地面系统支持的情况下，仅依靠星载测量设备在轨实时地确定卫星的位置和速度，也称自主轨道确定。对于卫星系统来讲，自主导航有利于降低卫星对地面的依赖程度，提高系统生存能力，在无地面测控站支持的情况下，仍能完成 轨道的确定和保持，这对卫星自主生存来讲具有非常重要的意义。此外，自主导航还可以有效减轻地面测控站的负担，降低地面支持成本，从而降低整个航天计划的研制费用。自主导航是卫星实现自主控制的基本前提和基础，也是构造星座、天基组网的关键技术之一。深空探测器处于星际飞行，相比地球卫星和月球探测器，深空探测器面临星地距离远、时延大和长时间日凌等问题，深空探测器对GNC的自主性提出了更高要求。由于直接进行飞行试验成本高、风险大，采用地面设备构建试验系统进行半物理仿真试验研究是必要的过程，目前国内没有建立有关深空探测的自主导航地面试验验证系统。国内对深空探测自主导航技术进行了很多研究，如王大轶、黄翔宇在2009年6月第35卷第3期空间控制技术与应用上发表的“深空探测自主导航与控制技术综述”一文，介绍了深空探测自主导航相关研究进展，但其中并未涉及相应的地面试验验证系统的相关内容。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，实现了硬件在回路内的基于真实测量过程的仿真验证试验，可以有效地在地面验证深空探测接近过程的光学成像自主导航系统的性能。本发明的技术解决方案是一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，包括导航敏感器、星敏感器、天体模拟器、动态恒星模拟器、三轴机械转台、姿态轨道仿真器、导航计算机和控制计算机；导航敏感器安装在三轴机械转台上，通过第一遮光罩与天体模拟器对接，星敏感器通过第二遮光罩与动态恒星模拟器对接，遮光罩用来避免实验室杂光干扰；姿态轨道仿真器分别与导航计算和控制计算机连接，导航计算机分别与导航敏感器和星敏感器连接，控制计算机分别与天体模拟器、动态恒星模拟器和三轴机械转台连接；姿态轨道仿真器根据深空探测器接近过程的动力学模型，产生基准姿态和轨道数据，将基准数据分别发送到控制计算机和导航计算机；所述姿态数据包括姿态角和姿态角速度，所述轨道数据包括深空探测器在目标天体惯性坐标系的位置矢量和速度矢量；控制计算机根据深空探测器的轨道数据计算出导航敏感器视场内目标天体的大小特征参数，并将导航敏感器视场内目标天体的大小特征参数发送到天体模拟器；控制计算机根据深空探测器的姿态和轨道数据、恒星星表计算出背景恒星的亮度及在星敏感器视场内的恒星几何关系光学特征参数，并将背景恒星的亮度及星敏感器视场内的恒星几何关系光学特征参数发送到动态恒星模拟器；控制计算机根据深空探测器的姿态和轨道数据生成姿态角和姿态角速度参数，并将姿态角和姿态角速度参数发送到三轴机械转台；天体模拟器通过目标天体的大小变化来模拟深空探测器和目标天体之间的位置变化；恒星模拟器通过背景恒星亮度及恒星几何关系来模拟深空探测器相对惯性空间的姿态变化；三轴机械转台通过转动来模拟深空探测器平台的姿态扰动；导航敏感器对天体模拟器进行光学成像，得到目标天体方向矢量和目标天体视半径；星敏感器对动态恒星模拟器进行光学成像，得到深空探测器惯性姿态；导航计算机采集导航敏感器和星敏感器的测量数据，进行导航滤波计算，得到深空探测器的位置估计值和速度估计值，最后与基准数据比对得到导航精度。所述深空探测器接近过程的动力学模型为
权利要求
1.一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，其特征在于它包括导航敏感器、星敏感器、天体模拟器、动态恒星模拟器、三轴机械转台、姿态轨道仿真器、导航计算机和控制计算机；导航敏感器安装在三轴机械转台上，通过第一遮光罩与天体模拟器对接，星敏感器通过第二遮光罩与动态恒星模拟器对接，遮光罩用来避免实验室杂光干扰；姿态轨道仿真器分别与导航计算和控制计算机连接，导航计算机分别与导航敏感器和星敏感器连接，控制计算机分别与天体模拟器、动态恒星模拟器和三轴机械转台连接；姿态轨道仿真器根据深空探测器接近过程的动力学模型，产生基准姿态和轨道数据，将基准数据分别发送到控制计算机和导航计算机；所述姿态数据包括姿态角和姿态角速度，所述轨道数据包括深空探测器在目标天体惯性坐标系的位置矢量和速度矢量；控制计算机根据深空探测器的轨道数据计算出导航敏感器视场内目标天体的大小特征参数，并将导航敏感器视场内目标天体的大小特征参数发送到天体模拟器；控制计算机根据深空探测器的姿态和轨道数据、恒星星表计算出背景恒星的亮度及在星敏感器视场内的恒星几何关系光学特征参数，并将背景恒星的亮度及星敏感器视场内的恒星几何关系光学特征参数发送到动态恒星模拟器；控制计算机根据深空探测器的姿态和轨道数据生成姿态角和姿态角速度参数，并将姿态角和姿态角速度参数发送到三轴机械转台；天体模拟器通过目标天体的大小变化来模拟深空探测器和目标天体之间的位置变化；恒星模拟器通过背景恒星亮度及恒星几何关系来模拟深空探测器相对惯性空间的姿态变化；三轴机械转台通过转动来模拟深空探测器平台的姿态扰动；导航敏感器对天体模拟器进行光学成像，得到目标天体方向矢量和目标天体视半径；星敏感器对动态恒星模拟器进行光学成像，得到深空探测器惯性姿态；导航计算机采集导航敏感器和星敏感器的测量数据，进行导航滤波计算，得到深空探测器的位置估计值和速度估计值，最后与基准数据比对得到导航精度。
2.根据权利要求I所述的一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，其特征在于所述深空探测器接近过程的动力学模型为 r = -^f-r + R(t,r,r) r 其中r、r、i=分别代表t时刻深空探测器在目标天体惯性系中的位置、速度和加速度矢量，μ m为目标天体引力常数；上述公式等号右边第一项为目标天体中心引力项，第二项为其它摄动力项，其它摄动力项包括目标天体非球形引力摄动、日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。
3.根据权利要求I所述的一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，其特征在于所述控制计算机根据深空探测器的轨道数据计算出导航敏感器视场内目标天体的大小特征参数，实现如下 由深空探测器轨道数据(X，Y, Z)求得深空探测器指向目标天体距离r = *2+/+z2，目标天体大小即为从深空探测器上观测目标天体的视张角P，则 P = arc sin(— V 其中Rm为目标天体半径；X，1，Z分别代表深空探测器在目标天体惯性系的三维位置坐标。
4.根据权利要求I所述的一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，其特征在于所述控制计算机根据深空探测器的姿态和轨道数据、恒星星表计算出背景恒星的亮度及在星敏感器视场内的恒星几何关系光学特征参数，实现如下 由深空探测器轨道数据得到目标天体惯性系到深空探测器轨道系的转换矩阵 "，由深空探测器姿态数据得到深空探测器轨道系到深空探测器本体系的转换矩阵Q4，由导航敏感器的安装方式得到深空探测器本体系到导航敏感器测量系的转换矩阵
全文摘要
一种深空探测接近过程的光学成像自主导航半物理仿真试验系统，导航敏感器安装在转台上与天体模拟器对接，星敏感器与动态恒星模拟器对接，姿态轨道仿真器生成深空探测器基准姿态和轨道数据并发送到控制计算机和导航计算机，控制计算机驱动天体模拟器、动态恒星模拟器及转台运动，天体模拟器模拟深空探测器和目标天体的位置变化，动态恒星模拟器模拟深空探测器惯性姿态变化，转台模拟深空探测器姿态扰动，导航计算机采集导航敏感器和星敏感器测量数据，进行导航滤波计算，最后与基准数据比对得到自主导航精度。本发明实现了硬件在回路内的基于敏感器真实测量数据的半物理仿真试验，可以有效地在地面验证深空探测接近过程的光学成像自主导航系统的性能。
文档编号G01C25/00GK102879014SQ20121040905
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者黄翔宇, 张斌, 王大轶, 魏春岭, 唐强, 朱志斌 申请人:北京控制工程研究所