[發明專利]基于地日月一體化敏感器的自主導航仿真試驗系統

有效

• 申請號: 201010623842.4
• 申請日: 2010-12-31
• 公開（公告）號: CN102175259A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 魏春嶺;王大軼;黃翔宇;張斌;張新邦
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于自主導航領域，涉及一種自主導航仿真試驗系統。

背景技術

美國Microcosm公司研制的MANS(Microcosm?Autonomous?Navigation?System)自主導航系統是1994年3月13日美國空軍進行的TAOS(自主運行生存技術)飛行試驗的主要內容之一。MANS自主導航系統所采用的一體化自主導航敏感器是在雙圓錐掃描式地球敏感器的基礎上增加了一對扇形掃描式日、月敏感器。導航敏感器使用一個由電機驅動的光學掃描探頭，該探頭能對地球熱輻射以及日、月可見光進行多視場敏感。

報告號為92-1710，名稱為“Autonomous?Space?Navigation?Experiment”的AIAA報告介紹了TAOS飛行試驗的內容，其中介紹了Microcosm公司MANS自主導航系統的一體式敏感器的組成、性能和測量輸出，敏感器如何獲得對地球的紅外輻射圓盤的角半徑以及地心、日、月方向矢量的測量值，經過數據處理確定衛星的軌道和三軸姿態，當時預計其導航精度可達100m～1.5km(3σ)。但實驗過程中，由于導航計算機出現故障，數據只能下行到地面站進行處理，地面具體處理數據未見公布。

由于直接飛行試驗成本高、風險大，采用地面設備構建試驗系統進行半物理仿真試驗研究是必要的過程。國內對基于日地月信息的衛星的自主導航技術進行了很多研究，如黃翔宇、荊武興在2002年10月第五期第34卷哈爾濱工業大學學報上發表的“基于日地月信息的衛星自主導航技術研究”一文，公開了基于日地月信息進行自主導航的相關算法。但是其中并未涉及地日月一體化導航敏感器硬件的相關內容，也未涉及相應的地面試驗驗證系統。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于地球/日/月一體化敏感器的自主導航試驗系統，可以在地面驗證衛星全自主導航方法的可行性和自主導航系統的性能。

本發明的技術解決方案是：基于地日月一體化敏感器的自主導航仿真試驗系統，包括地日月一體化敏感器、地球模擬器、太陽模擬器、月球模擬器、第一單軸轉臺、第二單軸轉臺、姿態軌道仿真器、控制計算機和導航計算機，其中：

地日月一體化敏感器：安裝在第二單軸轉臺上，包括兩個紅外通道和兩個可見光通道，紅外通道用于觀測地球模擬器獲取地球測量信號，可見光通道分別用于觀測太陽模擬器和月球模擬器并獲取太陽測量信號和月亮測量信號，所述的地球測量信號、太陽測量信號和月亮測量信號送至導航計算機；

第一單軸轉臺：帶動地球模擬器、第二單軸轉臺、地日月一體化敏感器以衛星軌道速度轉動，模擬衛星在軌道面內的自轉運動；

第二單軸轉臺：帶動地日月一體化敏感器轉動，模擬星體的滾動姿態；

地球模擬器：安裝在第一單軸轉臺上，用于模擬地球弦寬；

太陽模擬器：用于模擬太陽光強，其光軸指向地日月一體化敏感器，其孔徑大小保證試驗過程中可被地日月一體化敏感器的可見光通道捕獲；

月球模擬器：用于模擬月球光強，其光軸指向地日月一體化敏感器，其孔徑大小保證試驗過程中可被地日月一體化敏感器的可見光通道捕獲；

姿態軌道仿真器：利用衛星軌道動力學模型進行衛星姿態軌道計算，計算結果控制第一單軸轉臺和第二單軸轉臺的轉動以及地球模擬器的弦寬變化；

控制計算機：根據基準的姿態軌道數據生成軌道角速度指令驅動第一單軸轉臺轉動模擬衛星在軌運動，生成弦寬指令控制地球模擬器弦寬變化模擬衛星高度變化，生成滾動角指令驅動第二單軸轉臺轉動模擬衛星姿態變化；

導航計算機：根據地日月一體化敏感器傳來的地球測量信號、太陽測量信號和月亮測量信號，進行導航濾波計算，得到衛星的位置估計值和速度估計值；將所述的衛星位置估計值和速度估計值與姿態軌道仿真器給出的衛星姿態軌道計算結果進行比較，得到導航精度。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明仿真試驗系統與單純的數學仿真相比，敏感器采用真實部件，能更有效地對自主導航算法進行驗證；

(2)本發明仿真試驗系統中的地球模擬器、太陽模擬器和月球模擬器同時為地日月一體化敏感器的各路通道提供測量目標，可以更好地對敏感器進行測量標定；

(3)本發明仿真試驗系統采用單軸轉臺來模擬衛星在軌運動，利用衛星在軌道上的相位來控制轉臺轉動，從而實現日、月方位在敏感器視場中的連續變化，簡單方便；

(4)本發明仿真試驗系統利用敏感器測量數據進行實時導航解算，導航結果與基準數據進行比對，從而對自主導航系統的性能、導航精度進行驗證。

附圖說明