專利名稱：一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，其可應(yīng)用 于深空自主導(dǎo)航光學(xué)敏感器半物理仿真實(shí)驗(yàn)。
背景技術(shù)：
在航天技術(shù)領(lǐng)域，深空探測(cè)光學(xué)導(dǎo)航恒星敏感器是一個(gè)甚高精度星敏感器，如其 精度要求0.5"，與傳統(tǒng)恒星敏感器比較有很大的區(qū)別，如入瞳口徑為150mm左右，焦距在 IOOOm左右，視場(chǎng)角在Γ 2°。這樣一類敏感器主要對(duì)深空探測(cè)器巡航段軌道四周的小 行星進(jìn)行識(shí)別，并確定其相對(duì)于慣性空間的角位置，利用小行星星歷數(shù)據(jù)，解算出深空探測(cè) 器相對(duì)于地心慣性坐標(biāo)系的位置和速度。深空探測(cè)光學(xué)導(dǎo)航恒星敏感器研制過(guò)程的重要一環(huán)就是對(duì)其功能和性能指標(biāo)進(jìn) 行檢測(cè)，這種檢測(cè)包括靜態(tài)檢測(cè)和半物理仿真檢測(cè)，靜態(tài)檢測(cè)方法一般教科書都具有描述， 這類星敏感器的動(dòng)態(tài)功能和性能檢測(cè)一般都是比較困難的，目前沒有實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法 的報(bào)道，一把采用室外觀星的辦法，如美國(guó)DS-I號(hào)火星探測(cè)器自主導(dǎo)航星敏感器在地面試 驗(yàn)時(shí)，直接采用室外觀星的方法，雖然能夠說(shuō)明其一定的性能，但是受到大氣抖動(dòng)的影響和 溫度變化影響，其所驗(yàn)證精度受到干擾，不能完全客觀反映星敏感器的精度。歐洲空間局的 火星探測(cè)任務(wù)所采用的自主導(dǎo)航敏感器地面試驗(yàn)時(shí)也是采用室外觀星方案驗(yàn)證敏感器綜 合性能，當(dāng)然也存在上述問(wèn)題。這里所說(shuō)的星敏感器，是通過(guò)成像測(cè)量恒星在慣性空間角位置的方法確定航天器 姿態(tài)的一類光學(xué)敏感器。在恒星敏感器進(jìn)行功能檢驗(yàn)和性能檢驗(yàn)時(shí)，一種常見的方法是通 過(guò)恒星模擬器生成星模擬成像目標(biāo)，進(jìn)入到星敏感器鏡頭，成像在恒星敏感器焦平面上，按 照目標(biāo)角距離分布模擬成像出來(lái)太空中相關(guān)星圖分布的星像。經(jīng)過(guò)調(diào)研和資料查詢，目前恒星模擬有單星模擬器和多星模擬器，多星模擬器又 分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。靜態(tài)恒星模擬器采用固定星圖和鏡頭成像，模擬無(wú)限遠(yuǎn)恒星，動(dòng)態(tài) 多星模擬器一般采用液晶光閥作為動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器，采用準(zhǔn)直透鏡將模擬恒星成像到無(wú)限 遠(yuǎn)。目前的所有液晶光閥恒星模擬器受到恒星模擬像出射精度的限制，僅用來(lái)作為恒星敏 感器功能性檢驗(yàn)，不作為精度檢驗(yàn)儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，其能夠解 決用于小行星自主導(dǎo)航甚高精度恒星敏感器的恒星模擬，驗(yàn)證恒星敏感器的測(cè)量精度和自 主導(dǎo)航定位精度，對(duì)于深空自主導(dǎo)航敏感器研制具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系 統(tǒng)，它包括一個(gè)恒星敏感器模擬器和一個(gè)自主導(dǎo)航星敏感器。所述的恒星敏感器模擬器放 置在模擬器支撐架上；所述的自主導(dǎo)航星敏感器固定在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，自主導(dǎo)航星敏感 器的入瞳中心在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)中心軸上；所述的恒星敏感器模擬器的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳相對(duì)接，恒星敏感器模擬器的光軸與自主導(dǎo)航星敏感器的光軸重合； 自主導(dǎo)航星敏感器、三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)和恒星敏感器模擬器均與控制與信息處理計(jì)算機(jī)連接。如上所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其所述的自主導(dǎo) 航星敏感器的光軸與恒星敏感器模擬器的光軸重合，重合誤差不超過(guò)2mm ；所述的將恒星 敏感器模擬器的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳相對(duì)接，誤差不超過(guò)5mm。如上所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其所述的三軸速 率轉(zhuǎn)臺(tái)沿著三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸按照深空探測(cè)器姿態(tài)穩(wěn)定性規(guī)律施以運(yùn)動(dòng)角速度，以模擬深空探測(cè) 器三軸不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而模擬出自主導(dǎo)航敏感器隨著探測(cè)器姿態(tài)的模擬變化所產(chǎn)生的圖像 運(yùn)動(dòng)。如上所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其所述的控制與 信息處理計(jì)算機(jī)用于三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的控制，并對(duì)模擬姿態(tài)變化所得到的運(yùn)動(dòng)拖影圖像的信 息進(jìn)行處理。本發(fā)明所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)方法，其步驟如下(a)將自主導(dǎo)航星敏感器安裝在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，保證其繞三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角 度與深空探測(cè)器姿態(tài)變化一致；將自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳中心安裝到三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)水平 旋轉(zhuǎn)中心軸上，并使自主導(dǎo)航星敏感器的光軸與恒星敏感器模擬器的光軸重合，重合誤差 不超過(guò)2mm ；(b)將恒星敏感器模擬器的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳相對(duì)接，誤差不超過(guò) 5mm ；(c)將三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、自主導(dǎo)航星敏感器和恒星敏感器模擬器均加電運(yùn)行，通過(guò) 控制與信息處理計(jì)算機(jī)控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、恒星敏感器模擬器和自主導(dǎo)航星敏感器進(jìn)行工 作；(d)通過(guò)恒星敏感器模擬器模擬產(chǎn)生恒星和小行星無(wú)限遠(yuǎn)圖像，該圖像相對(duì)于恒 星敏感器模擬器入瞳的運(yùn)動(dòng)角度應(yīng)與深空探測(cè)器在慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度一致；(e)自主導(dǎo)航星敏感器獲取來(lái)自于恒星敏感器模擬器模擬的多幅含有恒星和小行 星的目標(biāo)圖像，對(duì)于這些圖像進(jìn)行處理識(shí)別出恒星和小行星，根據(jù)小行星和恒星星歷進(jìn)而 得到各自小行星相對(duì)于慣性空間的角位置；利用小行星星歷得到此時(shí)此刻的小行星相對(duì)指 向矢量和小行星之間的相對(duì)距離，再利用上述深空探測(cè)器對(duì)于小行星測(cè)量的指向矢量作為 觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行深空探測(cè)器位置的確定。如上所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)方法，其在控制與信息 處理計(jì)算機(jī)上通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，該仿真軟件將自動(dòng)控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、恒星敏 感器模擬器和自主導(dǎo)航星敏感器進(jìn)行工作，運(yùn)行結(jié)束后信息處理結(jié)果保留在計(jì)算機(jī)內(nèi)；所 述的仿真軟件包括一個(gè)主程序和受主程序控制的6個(gè)子程序模塊主程序用于系統(tǒng)自檢、 上電和復(fù)位、子程序的調(diào)用、時(shí)序控制、導(dǎo)航仿真數(shù)據(jù)的生成；6個(gè)子程序模塊分別是三軸 速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的曝光時(shí)間控制模塊、恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo) 的星圖選擇控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的圖像處理模塊、小行星位置確定模塊、與上位機(jī) 通訊模塊；其中三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊接收主程序傳來(lái)的深空探測(cè)器姿態(tài)變化角速率和指向變 化信息，并控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)作相應(yīng)隨動(dòng)操作，使三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)軸產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)動(dòng)；
自主導(dǎo)航星敏感器的曝光時(shí)間控制模塊在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，按照上位 機(jī)發(fā)來(lái)的通訊信息對(duì)自主導(dǎo)航敏感器探測(cè)器曝光時(shí)間進(jìn)行輸入，并使自主導(dǎo)航星敏感器進(jìn) 行圖像采樣，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，供自主導(dǎo)航星的圖像處理模塊進(jìn)行處理；恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo)的星圖選擇控制模塊按照主程序傳來(lái)的預(yù)設(shè)星圖 指令進(jìn)行恒星敏感器模擬器中星點(diǎn)靶標(biāo)照明陣列控制，使星點(diǎn)靶標(biāo)星點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)期的星點(diǎn)陣 列，以模擬太空中恒星的空間角位置分布，這種星點(diǎn)陣列分布將通過(guò)恒星敏感器模擬器成 像到無(wú)限遠(yuǎn)，再經(jīng)敏感器成像； 自主導(dǎo)航星敏感器的圖像處理模塊對(duì)于自主導(dǎo)航星敏感器保存在存儲(chǔ)器中的積 分采樣所成的圖像進(jìn)行預(yù)處理星點(diǎn)識(shí)別的交叉相關(guān)處理恒星星圖匹配處理小行星識(shí)別處 理，獲取小行星所在天區(qū)內(nèi)與恒星角位置關(guān)系；小行星位置確定模塊通過(guò)恒星星歷和小行星行歷，將識(shí)別出來(lái)的小行星和恒星 與星歷表對(duì)比，確定小行星在慣性空間的指向；與上位機(jī)通訊模塊完成與上位控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息雙向傳輸，從上位機(jī)得 到開關(guān)機(jī)指令曝光時(shí)間設(shè)置指令自主導(dǎo)航仿真的軌道參數(shù)。本發(fā)明的效果在于本發(fā)明所述的深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，其能夠解決 用于小行星自主導(dǎo)航甚高精度恒星敏感器的恒星模擬，驗(yàn)證恒星敏感器的測(cè)量精度和自主 導(dǎo)航定位精度，對(duì)于深空自主導(dǎo)航敏感器研制具有廣闊的應(yīng)用前景，可以用來(lái)評(píng)價(jià)深空自 主導(dǎo)航敏感器的精度是否滿足任務(wù)要求，這與以往星模擬器的作用是不同的。具體優(yōu)點(diǎn)在 于(1)使得復(fù)雜的基于光學(xué)敏感器的深空自主導(dǎo)航模擬試驗(yàn)可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，模 擬精度高，獲取的數(shù)據(jù)不受大氣環(huán)境和溫度變化影響，因此是一種星敏感器性能檢測(cè)的可 靠方法；(2)采用一種大視場(chǎng)甚高精度星模擬器可以高保真模擬真實(shí)小行星和其附近區(qū)域 恒星，使得自主導(dǎo)航試驗(yàn)的目標(biāo)源接近真實(shí)位置和亮度，所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可信性；(3)采用三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)可以仿真深空探測(cè)器的三軸姿態(tài)變化，其所承載的試驗(yàn)星 敏感器將獲取長(zhǎng)曝光時(shí)間下的甚高精度觀測(cè)星圖，使得試驗(yàn)室半物理仿真的星圖具有在軌 圖像特性，因此使圖像處理和星圖識(shí)別算法，以及小行星位置確定精度得到檢驗(yàn)。(4)三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制和觀測(cè)量提取均可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成，使得試驗(yàn)方案可 行性高。


圖1為本發(fā)明所述的一種深空自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的恒星敏感器模擬器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3.為仿真軟件功能框圖。圖中1.準(zhǔn)直物鏡；2.分光組件；3.星點(diǎn)靶標(biāo)；4.檢測(cè)靶標(biāo)；5.靶標(biāo)照明裝置； 6.焦面調(diào)整機(jī)構(gòu)；7.自準(zhǔn)直反射鏡；8.自主導(dǎo)航星敏感器；9.恒星敏感器模擬器；10.重合 光瞳；11.三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)；12.模擬器支撐架；13.控制與信息處理計(jì)算機(jī)；14.地面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物 理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法作進(jìn)一步描述。本發(fā)明所述的深空探測(cè)自主導(dǎo)航敏感器半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法采用一種恒 星敏感器模擬器9仿真深空探測(cè)巡航段上自主導(dǎo)航星敏感器8觀測(cè)到的恒星和小行星，區(qū) 別于以往在室外采用實(shí)際星空背景進(jìn)行自主導(dǎo)航恒星敏感器的動(dòng)態(tài)物理仿真實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明 在實(shí)驗(yàn)室即可模擬深空自主導(dǎo)航的小行星和恒星。本發(fā)明所述的深空探測(cè)自主導(dǎo)航敏感器半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)放置在地面14上， 包括一個(gè)放置在模擬器支撐架12上的恒星敏感器模擬器9，一個(gè)固定在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11上 的自主導(dǎo)航星敏感器8。自主導(dǎo)航星敏感器8的入瞳中心在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11水平旋轉(zhuǎn)中心 軸上。恒星敏感器模擬器9的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器8的入瞳相對(duì)接，恒星敏感器模擬 器9的光軸與自主導(dǎo)航星敏感器8的光軸重合。自主導(dǎo)航星敏感器8、三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11和 恒星敏感器模擬器9均與控制與信息處理計(jì)算機(jī)13連接。上述的恒星敏感器模擬器9用于模擬深空探測(cè)器巡航段沿途可觀測(cè)的小行星及 其附近恒星發(fā)光。其可采用申請(qǐng)人同期申請(qǐng)專利“一種恒星敏感器的模擬器”，將星點(diǎn)靶標(biāo) 3通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直物鏡1成像到無(wú)限遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)的。恒星敏感器模擬器9的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示， 它包括準(zhǔn)直物鏡1，在準(zhǔn)直物鏡1的焦平面上設(shè)有星點(diǎn)靶標(biāo)3，通過(guò)準(zhǔn)直物鏡1將星點(diǎn)靶標(biāo) 3成像到無(wú)限遠(yuǎn)；星點(diǎn)靶標(biāo)3固定在焦面調(diào)整機(jī)構(gòu)6上以實(shí)現(xiàn)多自由度調(diào)整；靶標(biāo)照明裝置 5為星點(diǎn)靶標(biāo)3提供照明；在準(zhǔn)直物鏡1和星點(diǎn)靶標(biāo)3之間設(shè)置分光組件2，分光組件2與 星點(diǎn)靶標(biāo)3的距離大于準(zhǔn)直物鏡1的入瞳半徑；在分光組件2側(cè)面還設(shè)有檢測(cè)靶標(biāo)4，檢測(cè) 靶標(biāo)4到分光組件2的中心距離與星點(diǎn)靶標(biāo)3到分光組件2的中心距離相等；在準(zhǔn)直物鏡 1前面設(shè)置自準(zhǔn)直反射鏡7。上述自主導(dǎo)航星敏感器8用于深空探測(cè)巡航段自主導(dǎo)航的小行星觀測(cè)量的測(cè)量， 主要通過(guò)該敏感器拍攝巡航段已知星歷的小行星及其周圍恒星，通過(guò)星圖識(shí)別確定小行星 在慣性空間的指向，這樣經(jīng)過(guò)多次拍攝可以得到多顆小行星在慣性空間的指向，再根據(jù)星 歷表進(jìn)行幾何解算和濾波處理得到深空探測(cè)器在慣性空間的軌道位置和速度，其可采用申 請(qǐng)人同期申請(qǐng)專利“一種星敏感器”。上述的三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11沿著三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸按照深空探測(cè)器姿態(tài)穩(wěn)定性規(guī)律施以運(yùn) 動(dòng)角速度，以模擬深空探測(cè)器三軸不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而模擬出自主導(dǎo)航敏感器隨著探測(cè)器姿 態(tài)的模擬變化所產(chǎn)生的圖像運(yùn)動(dòng)。上述的控制與信息處理計(jì)算機(jī)13用于三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11的控制和模擬姿態(tài)變化所 得到的運(yùn)動(dòng)拖影圖像的信息處理。此外還可控制靶標(biāo)照明裝置5的星點(diǎn)圖案的選擇。本發(fā)明所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)方法，其步驟如下(a)將自主導(dǎo)航星敏感器8通過(guò)工裝安裝在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11上，保證其繞三個(gè)軸 轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度與姿態(tài)變化一致，將自主導(dǎo)航星敏感器8的入瞳中心安裝到轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn) 中心軸上，并使其光軸與恒星敏感器模擬器9的光軸重合，重合誤差不超過(guò)2mm。(b)將恒星敏感器模擬器9的出瞳(即出射平行光的光欄)與自主導(dǎo)航星敏感器 8的入瞳相對(duì)接，誤差不超過(guò)5mm。(c)將三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11、自主導(dǎo)航星敏感器8和模擬器9均加電運(yùn)行，通過(guò)控制與信息處理計(jì)算機(jī)13的控制程序進(jìn)行。三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11的運(yùn)動(dòng)控制與靶標(biāo)變換控制在算法 上做到不相關(guān)聯(lián)。(d)采用比自主導(dǎo)航星敏感器視場(chǎng)角略大的甚高出射精度的恒星敏感器模擬器9 模擬產(chǎn)生恒星和小行星無(wú)限遠(yuǎn)圖像，該圖像相對(duì)于恒星敏感器模擬器9入瞳的運(yùn)動(dòng)角度應(yīng) 與深空探測(cè)器在慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度一致。(e)自主導(dǎo)航星敏感器8獲取來(lái)自于恒星敏感器模擬器9模擬的多幅含有恒星和 小行星的目標(biāo)圖像，這些目標(biāo)圖像包含了長(zhǎng)時(shí)間姿態(tài)不穩(wěn)定性和噪聲信息，對(duì)于這些圖像 進(jìn)行處理，識(shí)別出恒星和小行星，根據(jù)小行星和恒星星歷進(jìn)而得到各自小行星相對(duì)于慣性 空間的角位置；利用小行星星歷得到此時(shí)此刻的小行星相對(duì)指向矢量和小行星之間的相對(duì) 距離，再利用上述深空探測(cè)器對(duì)于小行星測(cè)量的指向矢量作為觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波算 法進(jìn)行深空探測(cè)器位置的確定。在控制與信息處理計(jì)算機(jī)13上通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，該仿真軟件將自動(dòng) 控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11、恒星敏感器模擬器9和自主導(dǎo)航星敏感器8進(jìn)行工作，運(yùn)行結(jié)束后信 息處理結(jié)果保留在計(jì)算機(jī)內(nèi)。如圖3所示，所述的仿真軟件包括一個(gè)主程序和受主程序控 制的6個(gè)子程序模塊主程序用于系統(tǒng)自檢、上電和復(fù)位、子程序的調(diào)用、時(shí)序控制、導(dǎo)航仿 真數(shù)據(jù)的生成；6個(gè)子程序模塊分別是三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的曝光 時(shí)間控制模塊、恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo)的星圖選擇控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的圖 像處理模塊、小行星位置確定模塊、與上位機(jī)通訊模塊；其中三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊接收主程序傳來(lái)的深空探測(cè)器姿態(tài)變化角速率和指向變 化信息，并控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11作相應(yīng)隨動(dòng)操作，使三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11三個(gè)軸產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn) 動(dòng)；自主導(dǎo)航星敏感器的曝光時(shí)間控制模塊在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)11轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，按照上 位機(jī)發(fā)來(lái)的通訊信息對(duì)自主導(dǎo)航敏感器探測(cè)器曝光時(shí)間進(jìn)行輸入，并使自主導(dǎo)航星敏感器 8進(jìn)行圖像采樣，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，供自主導(dǎo)航星的圖像處理模塊進(jìn)行處理；恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo)的星圖選擇控制模塊按照主程序傳來(lái)的預(yù)設(shè)星圖指 令進(jìn)行星點(diǎn)靶標(biāo)3照明陣列控制，使星點(diǎn)靶標(biāo)3星點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)期的星點(diǎn)陣列，以模擬太空中恒 星的空間角位置分布，這種星點(diǎn)陣列分布將通過(guò)恒星敏感器模擬器9成像到無(wú)限遠(yuǎn)，再經(jīng) 敏感器成像； 自主導(dǎo)航星敏感器的圖像處理模塊對(duì)于自主導(dǎo)航星敏感器保存在存儲(chǔ)器中的積 分采樣所成的圖像進(jìn)行預(yù)處理星點(diǎn)識(shí)別的交叉相關(guān)處理恒星星圖匹配處理小行星識(shí)別處 理，獲取小行星所在天區(qū)內(nèi)與恒星角位置關(guān)系；小行星位置確定模塊通過(guò)恒星星歷和小行星行歷，將識(shí)別出來(lái)的小行星和恒星 與星歷表對(duì)比，確定小行星在慣性空間的指向；與上位機(jī)通訊模塊主要完成與上位控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息雙向傳輸，從上位 機(jī)得到開關(guān)機(jī)指令曝光時(shí)間設(shè)置指令自主導(dǎo)航仿真的軌道參數(shù)。本發(fā)明提出了一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的星敏感器性能檢測(cè)和自主導(dǎo)航精度驗(yàn)證方 法，采用這種方法可以改變以往此類試驗(yàn)的試驗(yàn)方法(以往在室外借助于自然星空和地球 自轉(zhuǎn)完成星敏感器的整體性能評(píng)價(jià)。采用這種方法可以獲取精度驗(yàn)證，可以得到在軌姿態(tài) 變化下的物理模擬圖像進(jìn)行自主導(dǎo)航算法驗(yàn)證。通過(guò)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)曝光時(shí)間下姿態(tài)不穩(wěn)定性帶來(lái)的圖像效果。星圖變化可以通過(guò)星點(diǎn)靶標(biāo)的調(diào)節(jié)進(jìn)行，避免了液晶光閥模 擬的幀率變化帶來(lái)的模擬不連續(xù)性影響。
權(quán)利要求
1.一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，它包括一個(gè)恒星敏感器模擬器 (9)和一個(gè)自主導(dǎo)航星敏感器(8)，其特征在于所述的恒星敏感器模擬器(9)放置在模擬 器支撐架(1 上；所述的自主導(dǎo)航星敏感器(8)固定在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)上，自主導(dǎo)航星 敏感器(8)的入瞳中心在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)水平旋轉(zhuǎn)中心軸上；所述的恒星敏感器模擬器 (9)的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器(8)的入瞳相對(duì)接，恒星敏感器模擬器(9)的光軸與自主導(dǎo) 航星敏感器(8)的光軸重合；自主導(dǎo)航星敏感器(8)、三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)和恒星敏感器模 擬器(9)均與控制與信息處理計(jì)算機(jī)(1 連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征 在于所述的自主導(dǎo)航星敏感器(8)的光軸與恒星敏感器模擬器(9)的光軸重合，重合誤 差不超過(guò)2mm所述的將恒星敏感器模擬器(9)的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器(8)的入瞳相對(duì) 接，誤差不超過(guò)5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其 特征在于所述的三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)沿著三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸按照深空探測(cè)器姿態(tài)穩(wěn)定性規(guī)律施 以運(yùn)動(dòng)角速度，以模擬深空探測(cè)器三軸不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而模擬出自主導(dǎo)航敏感器(8)隨著 探測(cè)器姿態(tài)的模擬變化所產(chǎn)生的圖像運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征 在于所述的控制與信息處理計(jì)算機(jī)(13)用于三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)的控制，并對(duì)模擬姿態(tài)變 化所得到的運(yùn)動(dòng)拖影圖像的信息進(jìn)行處理。
5.一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)方法，其特征在于該方法步驟如下(a)將自主導(dǎo)航星敏感器(8)安裝在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)上，保證其繞三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度 和角度與深空探測(cè)器姿態(tài)變化一致；將自主導(dǎo)航星敏感器(8)的入瞳中心安裝到三軸速率 轉(zhuǎn)臺(tái)(11)水平旋轉(zhuǎn)中心軸上，并使自主導(dǎo)航星敏感器(8)的光軸與恒星敏感器模擬器(9) 的光軸重合，重合誤差不超過(guò)2mm(b)將恒星敏感器模擬器(9)的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器(8)的入瞳相對(duì)接，誤差不超 過(guò) 5mm ；(c)將三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)、自主導(dǎo)航星敏感器(8)和恒星敏感器模擬器(9)均加電運(yùn) 行，通過(guò)控制與信息處理計(jì)算機(jī)(1 控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)、恒星敏感器模擬器(9)和自 主導(dǎo)航星敏感器(8)進(jìn)行工作；(d)通過(guò)恒星敏感器模擬器(9)模擬產(chǎn)生恒星和小行星無(wú)限遠(yuǎn)圖像，該圖像相對(duì)于恒 星敏感器模擬器(9)入瞳的運(yùn)動(dòng)角度應(yīng)與深空探測(cè)器在慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度一致；(e)自主導(dǎo)航星敏感器(8)獲取來(lái)自于恒星敏感器模擬器(9)模擬的多幅含有恒星和 小行星的目標(biāo)圖像，對(duì)于這些圖像進(jìn)行處理識(shí)別出恒星和小行星，根據(jù)小行星和恒星星歷 進(jìn)而得到各自小行星相對(duì)于慣性空間的角位置；利用小行星星歷得到此時(shí)此刻的小行星相 對(duì)指向矢量和小行星之間的相對(duì)距離，再利用上述深空探測(cè)器對(duì)于小行星測(cè)量的指向矢量 作為觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行深空探測(cè)器位置的確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)方法，其特征 在于在控制與信息處理計(jì)算機(jī)(1 上通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，該仿真軟件將自動(dòng)控 制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)(11)、恒星敏感器模擬器(9)和自主導(dǎo)航星敏感器(8)進(jìn)行工作，運(yùn)行結(jié)束后信息處理結(jié)果保留在計(jì)算機(jī)內(nèi)；所述的仿真軟件包括一個(gè)主程序和受主程序控制的6個(gè) 子程序模塊主程序用于系統(tǒng)自檢、上電和復(fù)位、子程序的調(diào)用、時(shí)序控制、導(dǎo)航仿真數(shù)據(jù)的 生成；6個(gè)子程序模塊分別是三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的曝光時(shí)間控制 模塊、恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo)的星圖選擇控制模塊、自主導(dǎo)航星敏感器的圖像處理模 塊、小行星位置確定模塊、與上位機(jī)通訊模塊；其中三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊接收主程序傳來(lái)的深空探測(cè)器姿態(tài)變化角速率和指向變化信 息，并控制三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)作相應(yīng)隨動(dòng)操作，使三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)軸產(chǎn)生模擬轉(zhuǎn)動(dòng)；自主導(dǎo)航星敏感器的曝光時(shí)間控制模塊在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，按照上位機(jī)發(fā) 來(lái)的通訊信息對(duì)自主導(dǎo)航敏感器探測(cè)器曝光時(shí)間進(jìn)行輸入，并使自主導(dǎo)航星敏感器進(jìn)行圖 像采樣，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，供自主導(dǎo)航星的圖像處理模塊進(jìn)行處理；恒星敏感器模擬器星點(diǎn)靶標(biāo)的星圖選擇控制模塊按照主程序傳來(lái)的預(yù)設(shè)星圖指令進(jìn) 行恒星敏感器模擬器中星點(diǎn)靶標(biāo)照明陣列控制，使星點(diǎn)靶標(biāo)星點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)期的星點(diǎn)陣列，以 模擬太空中恒星的空間角位置分布，這種星點(diǎn)陣列分布將通過(guò)恒星敏感器模擬器成像到無(wú) 限遠(yuǎn)，再經(jīng)敏感器成像；自主導(dǎo)航星敏感器的圖像處理模塊對(duì)于自主導(dǎo)航星敏感器保存在存儲(chǔ)器中的積分采 樣所成的圖像進(jìn)行預(yù)處理星點(diǎn)識(shí)別的交叉相關(guān)處理恒星星圖匹配處理小行星識(shí)別處理，獲 取小行星所在天區(qū)內(nèi)與恒星角位置關(guān)系；小行星位置確定模塊通過(guò)恒星星歷和小行星行歷，將識(shí)別出來(lái)的小行星和恒星與星 歷表對(duì)比，確定小行星在慣性空間的指向；與上位機(jī)通訊模塊完成與上位控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息雙向傳輸，從上位機(jī)得到開 關(guān)機(jī)指令曝光時(shí)間設(shè)置指令自主導(dǎo)航仿真的軌道參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種深空自主導(dǎo)航星敏感器的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。其恒星敏感器模擬器放置在模擬器支撐架上，自主導(dǎo)航星敏感器固定在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)上；自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳中心在三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)中心軸上；恒星敏感器模擬器的出瞳與自主導(dǎo)航星敏感器的入瞳相對(duì)接，恒星敏感器模擬器的光軸與自主導(dǎo)航星敏感器的光軸重合；自主導(dǎo)航星敏感器、三軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)和恒星敏感器模擬器均與控制與信息處理計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明能夠解決用于小行星自主導(dǎo)航甚高精度恒星敏感器的恒星模擬，驗(yàn)證恒星敏感器的測(cè)量精度和自主導(dǎo)航定位精度，對(duì)于深空自主導(dǎo)航敏感器研制具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102116641SQ20091021691
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者王大軼, 郝云彩, 黃翔宇 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所