專利名稱：基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航半物理仿真試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自主導(dǎo)航仿真試驗系統(tǒng)，特別是一種基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航半物理仿真試驗系統(tǒng)，屬于自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自主導(dǎo)航技術(shù)是指衛(wèi)星在不依賴地面系統(tǒng)支持的情況下，僅依靠星載測量設(shè)備在軌實時地確定衛(wèi)星的位置和速度，也稱自主軌道確定。對于衛(wèi)星系統(tǒng)來講，自主導(dǎo)航有利于降低衛(wèi)星對地面的依賴程度，提高系統(tǒng)生存能力，例如戰(zhàn)時，當?shù)孛鏈y控站遭到敵方的破壞和干擾時，仍能完成軌道的確定和保持，這對軍事衛(wèi)星來講具有非常重要的意義。此外，自主導(dǎo)航還可以有效減輕地面測控站的負擔，降低地面支持成本，從而降低整個航天計劃的研制費用。自主導(dǎo)航是衛(wèi)星實現(xiàn)自主控制的基本前提和基礎(chǔ)，也是構(gòu)造星座、天基組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
基于雙圓錐紅外和星敏感器進行自主導(dǎo)航是一種典型的天文導(dǎo)航方法，通過觀測地球、恒星的方位信息來確定衛(wèi)星的位置。雙圓錐紅外與單圓錐紅外相比的優(yōu)點在于，利用對紅外檢測信號處理，能消除與地球敏感器相關(guān)的地心方向的測量誤差。利用雙圓錐得到的兩個地球弦寬可以計算出衛(wèi)星到地心的距離，提高濾波收斂速度。雙圓錐紅外另一個優(yōu)點是有更寬的軌道高度使用范圍。
由于直接飛行試驗成本高、風險大，采用地面設(shè)備構(gòu)建試驗系統(tǒng)進行半物理仿真試驗研究是必要的過程。國內(nèi)對基于紅外地球信息的衛(wèi)星的自主導(dǎo)航技術(shù)進行了很多研究，如李明群、魏春嶺在2008年10月第五期第34卷空間控制技術(shù)與應(yīng)用上發(fā)表的“紅外地球敏感器測量值修正算法及其應(yīng)用研究” 一文，公開了基于雙圓錐紅外地球敏感器進行自主導(dǎo)航的相關(guān)算法，其中并未涉及相應(yīng)的地面試驗驗證系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航半物理仿真試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了硬件在回路內(nèi)的基于真實測量過程的仿真驗證實驗，可以有效地在地面驗證衛(wèi)星全自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航仿真試驗系統(tǒng)，包括雙圓錐紅外地球敏感器、雙弦寬地球模擬器、星敏感器、動態(tài)恒星模擬器、單軸轉(zhuǎn)臺、姿態(tài)軌道仿真器、導(dǎo)航計算機和控制計算機，其中
雙圓錐紅外地球敏感器安裝在單軸轉(zhuǎn)臺上，雙圓錐紅外地球敏感器具有單一的光學掃描頭部，利用反射鏡結(jié)構(gòu)得到兩個紅外通道，通過觀測雙弦寬地球模擬器獲取掃入掃出兩個地球弦寬的脈沖測量信號，并將所述測量信號送至導(dǎo)航計算機；
單軸轉(zhuǎn)臺帶動雙圓錐紅外地球敏感器轉(zhuǎn)動，模擬星體的滾動姿態(tài)；
雙弦寬地球模擬器用于模擬兩個地球弦寬，為雙圓錐紅外地球敏感器提供兩路測量目標；
星敏感器用于測量衛(wèi)星慣性姿態(tài)，通過觀測動態(tài)恒星模擬器的恒星星圖得到慣性姿態(tài)四元數(shù)測量信號，并將所述測量信號送至導(dǎo)航計算機；
動態(tài)恒星模擬器用于模擬隨衛(wèi)星運行而變化的恒星星姿態(tài)軌道仿真器利用衛(wèi)星軌道動力學模型進行衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算，姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)發(fā)送至控制計算機，并將計算結(jié)果作為基準數(shù)據(jù)發(fā)送至導(dǎo)航計算機；
控制計算機根據(jù)基準的姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)生成弦寬指令控制地球模擬器弦寬變化模擬衛(wèi)星高度變化，生成姿態(tài)角指令控制單軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動模擬衛(wèi)星滾動角變化，生成慣性姿態(tài)四元數(shù)指令控制動態(tài)恒星模擬器星圖變化模擬衛(wèi)星在軌運動過程；
導(dǎo)航計算機根據(jù)雙圓錐紅外地球敏感器傳來的地球脈沖測量信號、星敏感器傳來的慣性姿態(tài)四元數(shù)測量信號，進行導(dǎo)航濾波計算，得到衛(wèi)星的位置估計值和速度估計值；將所述的衛(wèi)星位置估計值和速度估計值與姿態(tài)軌道仿真器給出的衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算結(jié)果進行比較，得到導(dǎo)航精度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明利用雙圓錐紅外地球敏感器和星敏感器測量數(shù)據(jù)進行實時導(dǎo)航解算， 導(dǎo)航結(jié)果與基準數(shù)據(jù)進行比對，從而對自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能、導(dǎo)航精度進行有效的驗證。
(2)本發(fā)明與單純的數(shù)學仿真相比，雙圓錐紅外地球敏感器和星敏感器采用真實部件，能更有效地對自主導(dǎo)航算法進行驗證；
(3)本發(fā)明仿真試驗系統(tǒng)采用動態(tài)恒星模擬器的星圖變化來模擬衛(wèi)星在軌運動， 利用雙弦寬地球模擬器的弦寬大小變化來模擬衛(wèi)星高度變化，簡單方便；
(4)本發(fā)明控制計算機控制方法簡單方便，易于實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明仿真試驗系統(tǒng)的組成原理框圖2為本發(fā)明仿真試驗系統(tǒng)中雙圓錐紅外地球敏感器測量坐標系示意圖3為本發(fā)明仿真試驗系統(tǒng)中雙圓錐紅外地球敏感器掃描示意圖4為本發(fā)明仿真試驗系統(tǒng)的試驗結(jié)果圖。
具體實施方式
如圖1所示，為本發(fā)明主要包括雙圓錐紅外地球敏感器、雙弦寬地球模擬器、星敏感器、動態(tài)恒星模擬器、單軸轉(zhuǎn)臺、姿態(tài)軌道仿真器、導(dǎo)航計算機、控制計算機。雙圓錐紅外安裝在單軸轉(zhuǎn)臺上，單軸轉(zhuǎn)臺可以帶動雙圓錐紅外轉(zhuǎn)動模擬衛(wèi)星滾動姿態(tài)。雙圓錐紅外地球敏感器觀測雙弦寬地球模擬器，星敏感器觀測動態(tài)恒星模擬器。姿態(tài)軌道仿真器利用衛(wèi)星軌道動力學模型進行衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算，計算結(jié)果作為基準數(shù)據(jù)發(fā)送到控制計算機和導(dǎo)航計算機?？刂朴嬎銠C根據(jù)基準的姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)生成弦寬指令控制地球模擬器弦寬變化模擬衛(wèi)星高度變化，生成滾動角指令驅(qū)動單軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動模擬衛(wèi)星姿態(tài)變化，生成慣性姿態(tài)四元數(shù)指令驅(qū)動動態(tài)恒星模擬器星圖變化模擬衛(wèi)星在軌運動過程。導(dǎo)航計算機采集雙圓錐紅外和星敏感器的測量數(shù)據(jù)，進行自主導(dǎo)航解算，解算結(jié)果與姿態(tài)軌道仿真器基準數(shù)據(jù)進行比對，對自主導(dǎo)航精度進行評估。
一、關(guān)鍵部件具體設(shè)計與實施
(1)雙圓錐紅外地球敏感器
雙圓錐掃描式紅外地球敏感器具有單一的光學掃描頭部，利用反射鏡結(jié)構(gòu)得到兩個紅外通道，掃描紅外通道的軌跡是兩個共軸的圓錐，半錐角分別為38度和73度。光學頭部掃描一圈，熱電檢測器最多可以檢測到四個地平脈沖穿越信號。由脈沖信號出現(xiàn)的時刻可以確定地心方向矢量在雙圓錐紅外地球敏感器測量坐標系中的坐標，并可求得衛(wèi)星到地心的距離。
如圖2所示，定義雙圓錐紅外地球敏感器測量坐標系乂原點Os為雙圓錐紅外地球敏感器的掃描轉(zhuǎn)軸與雙圓錐紅外地球敏感器水平面的交點，Xs軸正方向沿掃描轉(zhuǎn)軸方向，&軸正方向在雙圓錐紅外地球敏感器水平面內(nèi)，并且使得固連于雙圓錐紅外地球敏感器的基準點位于平面內(nèi)，Ys使得OsIsYJs構(gòu)成右手正交系。定義向量在雙圓錐紅外地球敏感器測量系的高度角δ是向量相對于Os-YJs平面的角距離，方位角Φ是向量在 Os-YsZs平面的投影與rLs的夾角。
如圖3所示，雙圓錐紅外地球敏感器包含第一紅外通道1、第二紅外掃通道2。雙圓錐紅外地球敏感器在對地球掃描時，可以得到第一紅外通道1掃入地球、第一紅外通道1 掃出地球、第二紅外通道2掃入地球、第二紅外通道2掃出地球和紅外1、2通道通過與雙圓錐紅外地球敏感器固聯(lián)的基準點一系列脈沖時刻，如下表所示。
表1雙圓錐紅外得到的脈沖時刻的測量值
權(quán)利要求
1.基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航仿真試驗系統(tǒng)，其特征在于包括雙圓錐紅外地球敏感器、雙弦寬地球模擬器、星敏感器、動態(tài)恒星模擬器、單軸轉(zhuǎn)臺、姿態(tài)軌道仿真器、導(dǎo)航計算機和控制計算機，其中雙圓錐紅外地球敏感器安裝在單軸轉(zhuǎn)臺上，雙圓錐紅外地球敏感器具有單一的光學掃描頭部，利用反射鏡結(jié)構(gòu)得到兩個紅外通道，通過觀測雙弦寬地球模擬器獲取掃入掃出兩個地球弦寬的脈沖測量信號，并將所述測量信號送至導(dǎo)航計算機； 單軸轉(zhuǎn)臺帶動雙圓錐紅外地球敏感器轉(zhuǎn)動，模擬星體的滾動姿態(tài)； 雙弦寬地球模擬器用于模擬兩個地球弦寬，為雙圓錐紅外地球敏感器提供兩路測量目標；星敏感器用于測量衛(wèi)星慣性姿態(tài)，通過觀測動態(tài)恒星模擬器的恒星星圖得到慣性姿態(tài)四元數(shù)測量信號，并將所述測量信號送至導(dǎo)航計算機；動態(tài)恒星模擬器用于模擬隨衛(wèi)星運行而變化的恒星星圖；姿態(tài)軌道仿真器利用衛(wèi)星軌道動力學模型進行衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算，姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)發(fā)送至控制計算機，并將計算結(jié)果作為基準數(shù)據(jù)發(fā)送至導(dǎo)航計算機；控制計算機根據(jù)基準的姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)生成弦寬指令控制地球模擬器弦寬變化模擬衛(wèi)星高度變化，生成姿態(tài)角指令控制單軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動模擬衛(wèi)星滾動角變化，生成慣性姿態(tài)四元數(shù)指令控制動態(tài)恒星模擬器星圖變化模擬衛(wèi)星在軌運動過程；導(dǎo)航計算機根據(jù)雙圓錐紅外地球敏感器傳來的地球脈沖測量信號、星敏感器傳來的慣性姿態(tài)四元數(shù)測量信號，進行導(dǎo)航濾波計算，得到衛(wèi)星的位置估計值和速度估計值；將所述的衛(wèi)星位置估計值和速度估計值與姿態(tài)軌道仿真器給出的衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算結(jié)果進行比較，得到導(dǎo)航精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航仿真試驗系統(tǒng)，其特征在于所述控制計算機中根據(jù)衛(wèi)星基準軌道姿態(tài)信息，生成地球模擬器的弦寬指令和慣性姿態(tài)四元數(shù)指令過程如下a.弦寬指令μ計算過程如下由衛(wèi)^ 表示(昨L基準軌道信息(X，y，ζ)可求得衛(wèi)星指向地心方向矢量在地心慣性坐標系中的
全文摘要
基于雙圓錐紅外和星敏感器的自主導(dǎo)航半物理仿真試驗系統(tǒng)，雙圓錐紅外地球敏感器觀測雙弦寬地球模擬器，星敏感器觀測動態(tài)恒星模擬器，測量信號發(fā)送到導(dǎo)航計算機中。姿態(tài)軌道仿真器進行衛(wèi)星姿態(tài)軌道計算，將衛(wèi)星基準軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制計算機。控制計算機根據(jù)基準姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)生成弦寬控制指令控制地球模擬器的弦寬大小，生成慣性四元數(shù)指令控制動態(tài)恒星模擬器星圖變化。導(dǎo)航計算機根據(jù)測量信號進行導(dǎo)航濾波計算，得到衛(wèi)星位置估計值和速度估計值，與基準數(shù)據(jù)比對后得到導(dǎo)航精度。本發(fā)明實現(xiàn)了硬件在回路內(nèi)的基于雙圓錐紅外和星敏感器真實測量數(shù)據(jù)的半物理仿真驗證試驗，可以有效地在地面驗證衛(wèi)星全自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。
文檔編號G01C25/00GK102538819SQ201110409318
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者何英姿, 張斌, 李克行, 李果, 王大軼, 魏春嶺 申請人:北京控制工程研究所