專利名稱：一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主gnc仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于深空航天器自主導(dǎo)航與控制物理仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前深空自主導(dǎo)航主要是采用天文導(dǎo)航的手段來實(shí)現(xiàn)，其基本原理是基于對導(dǎo)航天體的光學(xué)成像，通過計(jì)算估計(jì)出深空航天器的位置和速度信息。由于天文導(dǎo)航單純依靠相對于天體的角度信息，定位精度較低難于滿足深空探測發(fā)展的需要。光學(xué)和慣性組合測量在傳統(tǒng)的光學(xué)敏感器基礎(chǔ)上引入慣性器件，不僅能夠測量航天器的位置信息還能夠測量航天器的姿態(tài)信息，并且相對于傳統(tǒng)的敏感器布局減少了航天器測量系統(tǒng)的安裝誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算誤差，其次精確測量了相對于天體的角度信息，提高了航天器位置信息的測量精度?？朔藛为?dú)使用光學(xué)導(dǎo)航的缺點(diǎn)，具備了導(dǎo)航精度高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的自主導(dǎo)航與控制數(shù)學(xué)仿真方法已不能適應(yīng)自主導(dǎo)航和控制方案地面仿真驗(yàn)證的需要，信號模擬全部采用數(shù)學(xué)模型生成，模擬的有效性和真實(shí)性難以保證，迫切需要具有敏感器硬件在回路、模擬精度高、工況真實(shí)的深空自主導(dǎo)航和控制地面試驗(yàn)驗(yàn)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，提供了一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)對導(dǎo)航天體形狀和大小以及恒星幾何關(guān)系的模擬，深空航天器姿態(tài)運(yùn)動的模擬，增強(qiáng)了深空航天器自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面仿真驗(yàn)證的真實(shí)性和可靠性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng),包括一體化敏感器、動態(tài)天體及恒星模擬器、GNC模塊、動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊、無線電測速與測距模擬器、仿真總控模塊和三軸轉(zhuǎn)臺；動態(tài)天體及恒星模擬器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航天體形狀以及恒星之間幾何關(guān)系的模擬，無線電測速與測距模擬器實(shí)現(xiàn)無線電測量信號的模擬；仿真總控模塊發(fā)送指令給動態(tài)天體及恒星模擬器，動態(tài)天體及恒星模擬器接收到指令后進(jìn)行導(dǎo)航天體模擬和恒星模擬；三軸轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)運(yùn)動模擬,仿真總控模塊發(fā)送指令給三軸轉(zhuǎn)臺，三軸轉(zhuǎn)臺接收到指令后模擬航天器姿態(tài)運(yùn)動，三軸轉(zhuǎn)臺的角度和角速度信息返回給仿真總控模塊；一體化敏感器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上，用于實(shí)現(xiàn)對動態(tài)天體及恒星模擬器模擬的導(dǎo)航天體成像、恒星星圖成像以及本體系下航天器姿態(tài)角速度的測量，從而得到恒星星圖、導(dǎo)航天體圖像和航天器姿態(tài)角速度信息；GNC模塊采集一體化敏感器輸出的導(dǎo)航天體圖像、恒星星圖和航天器姿態(tài)角速度信息，對采集到的恒星星圖進(jìn)行圖像處理得到航天器的姿態(tài)角，對采集到的導(dǎo)航天體圖像進(jìn)行圖像處理得到航天器的第一種位置和速度信息，仿真總控模塊發(fā)送指令給無線電測速與測距模擬器，無線電測速與測距模擬器收到指令后進(jìn)行無線電測量信號的模擬并發(fā)送給GNC模塊，GNC模塊采集無線電測速與測距模擬器輸出的無線電測量信號，并對該信號進(jìn)行處理之后也得到航天器的第二種位置和速度信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)融合算法將所述第一種位置和速度信息以及第二種位置和速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模塊根據(jù)所述航天器位置和速度信息以及預(yù)設(shè)的軌道控制策略產(chǎn)生控制指令，并將控制指令發(fā)送給動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊；動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊接收到GNC模塊的控制指令后，進(jìn)行深空航天器的動力學(xué)仿真，并將仿真的結(jié)果發(fā)送給仿真總控模塊；仿真總控模塊將接收到的航天器動力學(xué)仿真結(jié)果與航天器位置和姿態(tài)信息真實(shí)值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到導(dǎo)航控制精度。所述一體化敏感器包括窄視場相機(jī)、寬視場相機(jī)和MEMS陀螺；寬視場相機(jī)用于對導(dǎo)航天體成像，窄視場相機(jī)用于對恒星星圖成像，MEMS陀螺用于測量航天器的姿態(tài)信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(I)本發(fā)明提出基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC試驗(yàn)驗(yàn)證具有導(dǎo)航天體和太空星圖模擬效果真實(shí)、實(shí)時性好、試驗(yàn)可操作性強(qiáng)，能夠同時模擬導(dǎo)航天體光學(xué)圖像、恒星幾何關(guān)系、無線電測速和測距信號，形成自主GNC大閉環(huán)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)與慣性組合測量的導(dǎo)航敏感器和無線電導(dǎo)航技術(shù)的深空航天器自主導(dǎo)航與控制方案仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。(2)本發(fā)明把一體化敏感器引入到仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用三軸轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)了航天器的姿態(tài)運(yùn)動，采用動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊仿真了深空航天器的動力學(xué)特性和空間環(huán)境干擾，對于深空航天器的動力學(xué)和外部環(huán)境特性模擬真實(shí)可靠。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)架構(gòu)示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航天體形狀和大小以及恒星幾何關(guān)系的模擬，深空航天器姿態(tài)運(yùn)動的模擬，增強(qiáng)了深空航天器自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面仿真驗(yàn)證的真實(shí)性和可靠性。如圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)組成，包括一體化敏感器、動態(tài)天體及恒星模擬器、GNC模塊、動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊、無線電測速與測距模擬器、仿真總控模塊和三軸轉(zhuǎn)臺；動態(tài)天體及恒星模擬器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航天體形狀以及恒星之間幾何關(guān)系的模擬，無線電測速與測距模擬器實(shí)現(xiàn)無線電測量信號的模擬；仿真總控模塊發(fā)送指令給動態(tài)天體及恒星模擬器，動態(tài)天體及恒星模擬器接收到指令后進(jìn)行導(dǎo)航天體模擬和恒星模擬；三軸轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)運(yùn)動模擬,仿真總控模塊發(fā)送指令給三軸轉(zhuǎn)臺，三軸轉(zhuǎn)臺接收到指令后模擬航天器姿態(tài)運(yùn)動，三軸轉(zhuǎn)臺的角度和角速度信息返回給仿真總控模塊；一體化敏感器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上，用于實(shí)現(xiàn)對動態(tài)天體及恒星模擬器模擬的導(dǎo)航天體成像、恒星星圖成像以及本體系下航天器姿態(tài)角速度的測量，從而得到恒星星圖、導(dǎo)航天體圖像和航天器姿態(tài)角速度信息；GNC模塊采集一體化敏感器輸出的導(dǎo)航天體圖像、恒星星圖和航天器姿態(tài)角速度信息，對采集到的恒星星圖進(jìn)行圖像處理得到航天器的姿態(tài)角，對采集到的導(dǎo)航天體圖像進(jìn)行圖像處理得到航天器的第一種位置和速度信息，仿真總控模塊發(fā)送指令給無線電測速與測距模擬器，無線電測速與測距模擬器收到指令后進(jìn)行無線電測量信號的模擬并發(fā)送給GNC模塊，GNC模塊采集無線電測速與測距模擬器輸出的無線電測量信號，并對該信號進(jìn)行處理之后也得到航天器的第二種位置和速度信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)融合算法將所述第一種位置和速度信息以及第二種位置和速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模塊根據(jù)所述航天器位置和速度信息以及預(yù)設(shè)的軌道控制策略產(chǎn)生控制指令，并將控制指令發(fā)送給動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊；動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊接收到GNC模塊的控制指令后，進(jìn)行深空航天器的動力學(xué)仿真，并將仿真的結(jié)果發(fā)送給仿真總控模塊；仿真總控模塊將接收到的航天器動力學(xué)仿真結(jié)果與航天器位置和姿態(tài)信息真實(shí)值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到導(dǎo)航控制精度。本發(fā)明中動態(tài)天體及恒星模擬器由動態(tài)小天體全視場模擬器，動態(tài)恒星模擬器主要由可變星相分布甚高精密靶標(biāo)和可變星等弱目標(biāo)模擬照明系統(tǒng)兩部分組成。本發(fā)明中無線電測速與測距模擬器根據(jù)仿真總控模塊的指令實(shí)現(xiàn)不同距離和不同速度的無線電測距和測速信號模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度無線電到達(dá)時間模擬。本發(fā)明中的三軸轉(zhuǎn)臺主要是根據(jù)仿真總控模塊的指令下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動模擬，三軸轉(zhuǎn)臺由外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)軸組成，一體化敏感器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺的內(nèi)環(huán)軸上。—體化敏感器包括窄視場相機(jī)、寬視場相機(jī)和MEMS陀螺；寬視場相機(jī)用于對導(dǎo)航天體成像，窄視場相機(jī)用于對恒星星圖成像，MEMS陀螺用于測量航天器的姿態(tài)信息。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括一體化敏感器、動態(tài)天體及恒星模擬器、GNC模塊、動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊、無線電測速與測距模擬器、仿真總控模塊和三軸轉(zhuǎn)臺；動態(tài)天體及恒星模擬器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航天體形狀以及恒星之間幾何關(guān)系的模擬，無線電測速與測距模擬器實(shí)現(xiàn)無線電測量信號的模擬；仿真總控模塊發(fā)送指令給動態(tài)天體及恒星模擬器，動態(tài)天體及恒星模擬器接收到指令后進(jìn)行導(dǎo)航天體模擬和恒星模擬；三軸轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)運(yùn)動模擬，仿真總控模塊發(fā)送指令給三軸轉(zhuǎn)臺，三軸轉(zhuǎn)臺接收到指令后模擬航天器姿態(tài)運(yùn)動，三軸轉(zhuǎn)臺的角度和角速度信息返回給仿真總控模塊；一體化敏感器安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上，用于實(shí)現(xiàn)對動態(tài)天體及恒星模擬器模擬的導(dǎo)航天體成像、恒星星圖成像以及本體系下航天器姿態(tài)角速度的測量，從而得到恒星星圖、導(dǎo)航天體圖像和航天器姿態(tài)角速度信息；GNC模塊采集一體化敏感器輸出的導(dǎo)航天體圖像、恒星星圖和航天器姿態(tài)角速度信息，對采集到的恒星星圖進(jìn)行圖像處理得到航天器的姿態(tài)角，對采集到的導(dǎo)航天體圖像進(jìn)行圖像處理得到航天器的第一種位置和速度信息，仿真總控模塊發(fā)送指令給無線電測速與測距模擬器，無線電測速與測距模擬器收到指令后進(jìn)行無線電測量信號的模擬并發(fā)送給GNC模塊，GNC模塊采集無線電測速與測距模擬器輸出的無線電測量信號，并對該信號進(jìn)行處理之后也得到航天器的第二種位置和速度信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)融合算法將所述第一種位置和速度信息以及第二種位置和速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到融合后的航天器位置和速度信息，GNC模塊根據(jù)所述航天器位置和速度信息以及預(yù)設(shè)的軌道控制策略產(chǎn)生控制指令，并將控制指令發(fā)送給動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊；動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊接收到GNC模塊的控制指令后，進(jìn)行深空航天器的動力學(xué)仿真，并將仿真的結(jié)果發(fā)送給仿真總控模塊；仿真總控模塊將接收到的航天器動力學(xué)仿真結(jié)果與航天器位置和姿態(tài)信息真實(shí)值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到導(dǎo)航控制精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述一體化敏感器包括窄視場相機(jī)、寬視場相機(jī)和MEMS陀螺；寬視場相機(jī)用于對導(dǎo)航天體成像，窄視場相機(jī)用于對恒星星圖成像，MEMS陀螺用于測量航天器的姿態(tài)信息。
全文摘要
一種基于光學(xué)和慣性組合測量的自主GNC仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括一體化敏感器、動態(tài)天體及恒星模擬器、GNC模塊、動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊、無線電測速與測距模擬器、仿真總控模塊和三軸轉(zhuǎn)臺。本發(fā)明把一體化敏感器引入到仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用三軸轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)了航天器的姿態(tài)運(yùn)動，采用動力學(xué)仿真與環(huán)境模擬模塊仿真了深空航天器的動力學(xué)特性和空間環(huán)境干擾，對于深空航天器的動力學(xué)和外部環(huán)境特性模擬真實(shí)可靠。
文檔編號G01C25/00GK102997935SQ20121050469
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者黃翔宇, 唐強(qiáng), 王大軼, 朱志斌, 褚永輝, 張曉文 申請人:北京控制工程研究所