测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其方法与流程

本发明属于深空导航领域，具体地，涉及一种测角测速组合导航半物理仿真验证系统及其方法。

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。当探测器相对太阳/恒星运动时，由于多普勒效应使探测器接收到的光谱频率会发生偏移，基于该偏移量可以反演得到探测器的速度信息。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。

技术实现要素：

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，包括深空动力学环境模拟子系统；

所述深空动力学环境模拟子系统包括动力学宿主机、实时仿真平台；

所述动力学宿主机通过串口通信将深空动力学环境模型加载至实时仿真平台。

优选地，还包括测角导航子系统；

所述测角导航子系统包括导航图像仿真机、导航图像模拟器、测角导航敏感器以及测角导航计算机；

所述导航图像仿真机从所述实时仿真平台实时接收数据；通过图像仿真算法从深空动力学环境模型获取模拟真实图像数据，并将模拟真实图像数据发送至导航图像模拟器；所述导航图像模拟器将形成的导航图像光路传输至测角导航敏感器；所述测角导航敏感器通过图像处理算法获取测角导航信息，并将测角导航信息发送至测角导航计算机。

优选地，还包括测速导航子系统；

所述测速导航子系统，包括导航光谱仿真机、导航光谱模拟器、测速导航敏感器、测速导航计算机；

所述导航光谱仿真机从实时仿真平台实时接收数据，通过光谱仿真算法从深空动力学环境模型获取模拟真实光谱数据，并将模拟真实光谱数据发送至导航光谱模拟器；所述导航光谱模拟器将形成的导航光谱光路传输至测速导航敏感器；所述测速导航敏感器通过光谱处理算法获取测速导航信息，并将测速导航信息发送至测速导航计算机。

优选地，还包括组合导航子系统；

所述组合导航子系统包括组合导航计算机；

所述组合导航计算机分别从测角导航计算机接收测角导航信息、从测速导航计算机接收测速导航信息，获取测角测速组合导航信息并求解。

优选地，还包括导航性能评估及演示子系统；

所述导航性能评估及演示子系统包括导航性能评估计算机、实时演示平台以及数据存储；

所述组合导航计算机根据测角导航信息、测速导航信息以及测角测速组合导航信息，通过导航性能算法，获取导航性能信息；所述实时演示平台演示可视化的导航性能信息和测角测速组合导航信息；所述数据存储导航信息存储导航性能信息、测角测速组合导航信息。

本发明还提供了一种验证测角测速导航方法，包括利用上述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统对测角测速导航半物理仿真进行验证的如下步骤：

系统初始步骤：根据深空动力学环境模型，获取初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器；

半物理系统实时仿真步骤：根据初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器，获取测速导航估计结果、测角测速紧组合导航滤波估计结果；

结果可视化步骤：导航评估与演示系统进行性能评估，获取评估结果；对导航评估与演示系统的估计结果、评估结果、深空环境做实时的可视化演示。

优选地，所述系统初始步骤包括如下子步骤：

噪声获取步骤：根据动力学宿主机中的深空动力学环境模型，获取初始化深空动力学环境；根据图像噪声模型、光谱噪声模型，获取初始化图像噪声和光谱噪声；

所述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这四者的初始位姿；

模拟器获取步骤：根据导航图像模拟器中的火星图像模型、导航光谱模拟器中的太阳/恒星光谱模型，获取初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器。

优选地，所述半物理系统实时仿真步骤包括如下子步骤：

输入获取步骤：根据组合导航计算机中的探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，获取测角导航相机的光轴指向参数，并作为火星图像模拟器的输入；根据获取的初始化深空动力学环境，获取太阳/恒星相对探测器的速度，并作为测速导航敏感器的输入。

信号获取步骤：根据初始化图像噪声、初始化测角导航中火星图像模拟器以及火星图像模拟器的输入，获取当前时刻探测器所观测到的图像信号；根据初始化光谱噪声、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器以及测速导航敏感器的输入，获取当前时刻探测器所观测到的光谱信号；

优选地，所述结果可视化步骤包括如下子步骤：

估计结果获取步骤：测角导航敏感器采集获取的图像信号，通过图像信息处理和特征提取算法，获取导航目标图像质心参数，并作为测角导航算法的输入参数，输出测角导航估计结果；测速导航敏感器采集光谱信号，通过光谱信息处理和特征提取算法，获取太阳/恒星相对探测器的相对速度值，并作为测速导航算法的输入值，输出测速导航估计结果；

估计结果输出步骤：根据测角导航估计结果、测速导航估计结果，作为组合导航算法的输入，获取测角测速紧组合导航滤波估计，输出测角测速组合导航估计结果；

可视化演示步骤：根据测角导航估计结果、测速导航估计结果以及测角测速组合导航估计结果，导航评估与演示系统对测角导航算法、测速导航算法以及特征提取算法这三者进行性能评估，并对测角导航估计结果、测速导航估计结果以及测角测速组合导航估计结果以及深空环境做实时的可视化演示。

优选地，所述深空动力学环境，包括开始时刻、行星星历、恒星星历以及探测器的初始位姿。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，基于实时仿真平台，以串口通信方式为主，设计并搭建了测角测速组合导航半物理仿真验证平台。

2、本发明提出的测角测速组合导航半物理仿真验证方法，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为本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统的整体结构图。

图2为本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证方法的流程图。

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。

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，包括深空动力学环境模拟子系统；所述深空动力学环境模拟子系统包括动力学宿主机、实时仿真平台；所述动力学宿主机通过串口通信将深空动力学环境模型加载至实时仿真平台。

本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，还包括测角导航子系统；所述测角导航子系统包括导航图像仿真机、导航图像模拟器、测角导航敏感器以及测角导航计算机；所述导航图像仿真机从所述实时仿真平台实时接收数据；通过图像仿真算法从深空动力学环境模型获取模拟真实图像数据，并将模拟真实图像数据发送至导航图像模拟器；所述导航图像模拟器将形成的导航图像光路传输至测角导航敏感器；所述测角导航敏感器通过图像处理算法获取测角导航信息，并将测角导航信息发送至测角导航计算机。

本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，还包括测速导航子系统；所述测速导航子系统，包括导航光谱仿真机、导航光谱模拟器、测速导航敏感器、测速导航计算机；所述导航光谱仿真机从实时仿真平台实时接收数据，通过光谱仿真算法从深空动力学环境模型获取模拟真实光谱数据，并将模拟真实光谱数据发送至导航光谱模拟器；所述导航光谱模拟器将形成的导航光谱光路传输至测速导航敏感器；所述测速导航敏感器通过光谱处理算法获取测速导航信息，并将测速导航信息发送至测速导航计算机。

本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，还包括组合导航子系统；所述组合导航子系统包括组合导航计算机；所述组合导航计算机分别从测角导航计算机接收测角导航信息、从测速导航计算机接收测速导航信息，获取测角测速组合导航信息并求解。

本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统，还包括导航性能评估及演示子系统；所述导航性能评估及演示子系统包括导航性能评估计算机、实时演示平台以及数据存储；所述组合导航计算机根据测角导航信息、测速导航信息以及测角测速组合导航信息，通过导航性能算法，获取导航性能信息；所述实时演示平台演示可视化的导航性能信息和测角测速组合导航信息；所述数据存储导航信息存储导航性能信息、测角测速组合导航信息。

本发明还提供了一种验证测角测速导航方法，包括利用上述的测角测速组合导航半物理仿真验证系统对测角测速导航半物理仿真进行验证的如下步骤：系统初始步骤：根据深空动力学环境模型，获取初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器；半物理系统实时仿真步骤：根据初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器，获取测速导航估计结果、测角测速紧组合导航滤波估计结果；结果可视化步骤：导航评估与演示系统进行性能评估，获取评估结果；对导航评估与演示系统的估计结果、评估结果、深空环境做实时的可视化演示。

所述系统初始步骤包括如下子步骤：噪声获取步骤：根据动力学宿主机中深空动力学环境模型，获取初始化深空动力学环境；根据图像噪声模型、光谱噪声模型，获取初始化图像噪声和光谱噪声；所述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这四者的初始位姿；模拟器获取步骤：根据导航图像模拟器中的火星图像模型、导航光谱模拟器中的太阳/恒星光谱模型，获取初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器。

所述半物理系统实时仿真步骤包括如下子步骤：输入获取步骤：根据组合导航计算机中的探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，获取测角导航相机的光轴指向参数，并作为火星图像模拟器的输入；根据获取的初始化深空动力学环境，获取太阳/恒星相对探测器的速度，并作为测速导航敏感器的输入；信号获取步骤：根据初始化图像噪声、初始化测角导航中火星图像模拟器以及火星图像模拟器的输入，获取当前时刻探测器所观测到的图像信号；根据初始化光谱噪声、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器以及测速导航敏感器的输入，获取当前时刻探测器所观测到的光谱信号。

所述结果可视化步骤包括如下子步骤：估计结果获取步骤：测角导航敏感器采集获取的图像信号，通过图像信息处理和特征提取算法，获取导航目标图像质心参数，并作为测角导航算法的输入参数，输出测角导航估计结果；测速导航敏感器采集光谱信号，通过光谱信息处理和特征提取算法，获取太阳/恒星相对探测器的相对速度值，并作为测速导航算法的输入值，输出测速导航估计结果；估计结果输出步骤：根据测角导航估计结果、测速导航估计结果，作为组合导航算法的输入，获取测角测速紧组合导航滤波估计，输出测角测速组合导航估计结果；可视化演示步骤：根据测角导航估计结果、测速导航估计结果以及测角测速组合导航估计结果，导航评估与演示系统对测角导航算法、测速导航算法以及特征提取算法这三者进行性能评估，并对测角导航估计结果、测速导航估计结果以及测角测速组合导航估计结果以及深空环境做实时的可视化演示。

所述深空动力学环境，包括开始时刻、行星星历、恒星星历以及探测器的初始位姿。

下面对本发明提供的测角测速组合导航半物理仿真验证系统和方法进行进一步说明：

1.系统初始化过程，即系统初始步骤：

步骤1：根据深空动力学环境模型，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，同时根据图像噪声模型、光谱噪声模型初始化图像噪声和光谱噪声。

步骤2：根据火星图像模型、太阳/恒星光谱模型，初始化测角导航中火星图像模拟器、测速导航中太阳/恒星光谱模拟器。

2.半物理系统实时仿真过程，即半物理系统实时仿真步骤：

步骤3：根据探测器位姿参数和敏感器的安装矩阵，解算测角导航相机的光轴指向参数，作为火星图像模拟器的输入；根据步骤1生成的深空动力学参数，解算太阳/恒星相对探测器的速度，作为测速导航敏感器的输入。

步骤4：根据步骤1产生的图像噪声、步骤2初始化后的火星图像模拟器以及步骤3中产生的输入，火星图像模拟器产生当前时刻探测器所观测到的图像信号；根据步骤1产生的光谱噪声、步骤2初始化后的太阳/恒星光谱模拟器以及步骤3中产生的输入，太阳/恒星光谱模拟器产生当前时刻探测器所观测到的光谱信号。

3.结果可视化过程，即结果可视化步骤：

步骤5：测角导航敏感器采集步骤4中输出的火星图像模拟器输出的导航图像光学信息，经过图像信息处理和提取算法，输出导航目标图像质心参数，测角导航算法以此为输入，得到测角导航估计结果；测速导航敏感器采集步骤4中输出的太阳/恒星光谱信息，经过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，测速导航算法以此为输入，得到测速导航估计结果。

步骤6：根据步骤5中测角导航敏感器和测速导航敏感器输出的量测信息，作为组合导航算法的输入，得到测角测速紧组合导航滤波估计，输出测角测速组合导航估计结果。

步骤7：根据步骤5中输出的测角导航、测速导航估计结果和步骤6中输出的组合导航估计结果，导航评估与演示系统对3种算法进行性能评估，并对其导航估计结果、评估结果、深空环境等做实时的可视化演示。

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。