[發明專利]火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法及系統

在審

• 申請號: 201310377389.7
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN104423273A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: 朱恩陽;劉宇;董豐;譚天樂;侯建文;王欽
• 申請（專利權）人: 上海新躍儀表廠
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;G01C21/24
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 金家山

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技術領域

本發明涉及航天器半物理仿真領域，尤其涉及深空探測捕獲段自主導航的半物仿真領域。

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背景技術

導航不僅是探測器軌道控制的前提和基礎，而且也是姿態指向基準的基礎，因此，導航對深空探測來說，至關重要。由于地面測控存在大時延和不可見弧段的缺陷，無法實時提供導航數據，尤其是在對測軌精度和實時性要求都非常高的軌道制動段。

深空探測與近地測控最主要的一個差別就是“遠”。然而這個“遠”字卻給深空探測任務帶來了諸多的難題。首先最明顯的就是通信時延巨大，從火星到地球的通信時延可達45分鐘，探測木星和土星等天體的通信時延會更大。巨大的時延給探測器的安全生存問題帶來了潛在的威脅。其次，由于距離遙遠，深空探測器在巡航段的飛行時間一般都很長，大多都在一年以上。隨著深空探測任務的增多，地面測控資源變得非常有限，長時間的巡航給地面測控帶來了極大的負擔，由此帶來的人力資源消耗和運行成本都隨著巡航時間的增加而增加。另外，對于有些特殊的飛行探測任務，例如飛越小行星或撞擊小行星等，對探測器的導航能力及實時控制能力都有很高的要求，這些僅僅依靠地面測控難以滿足任務需求。這就迫切需要自主導航技術來支撐深空飛行的向前發展。

光學導航是當前深空探測自主導航的首選方法，但是，目前我們國家還沒有進行過火星探測，也沒有在實踐中使用過光學自主導航。

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發明內容

本發明的目的在于提供一種火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法及系統，能夠在地面上建立一套光學自主導航半物理仿真系統，以對光學自主導航技術進行深入研究，實現提高導航精度的目標。

為解決上述問題，本發明提供一種火星捕獲段光學自主導航半物理仿真方法，包括：

軌道發生器模塊獲取火星探測器在火星J2000坐標系中的理論位置和理論速度，根據所述理論位置獲取火星的仿真圖像，并將火星的仿真圖像投影到光學系統導航模塊的屏幕上；

光學系統導航模塊的相機電路通過一光學鏡頭對所述屏幕的投影進行采集以獲取火星的模擬圖像，光學系統導航模塊的圖像預處理單元使用Sobel算子對所述火星的模擬圖像進行邊緣檢測，光學系統導航模塊的圖像質心提取單元根據所述邊緣檢測的結果并使用最小二乘法獲取所述火星的模擬圖像的圓心；

自主導航模塊獲取火星探測器的位置初始值和速度初始值，根據所述位置初始值、速度初始值和所述火星的模擬圖像的圓心，并使用UKF濾波方法獲取火星探測器的濾波解算位置和濾波解算速度。

進一步的，在上述方法中，自主導航模塊使用UKF濾波方法獲取火星探測器的濾波解算位置和濾波解算速度的步驟之后還包括：

輸出顯示模塊實時顯示當前的理論位置和理論速度，并根據所述理論位置和理論速度繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡，及實時顯示當前的濾波解算位置和濾波解算速度，并根據所述濾波解算位置和濾波解算速度繪制所述火星探測器的三維濾波運動軌跡。?

進一步的，在上述方法中，根據所述理論位置和理論速度繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡和根據所述濾波解算位置和濾波解算速度繪制所述火星探測器的三維濾波運動軌跡的步驟中，使用STK提供的C#控件AGI?Global?Control?9繪制所述火星探測器的三維理論運動軌跡和三維濾波運動軌跡。?

進一步的，在上述方法中，軌道發生器模塊獲取火星探測器在火星J2000坐標系中的理論位置和理論速度的步驟中，根據火星探測器在火星J2000坐標系中的深空軌道力學模型獲取所述理論位置和理論速度，所述深空軌道力學模型如下：

?????其中，R和V分別表示火星探測器在火星系中的理論位置和理論速度的矢量，r?=||?R?||；

表示火星的引力常數和表示太陽、地球或木星的引力常數；

表示太陽、地球或木星在火星J2000坐標系中的位置矢量，；

表示太陽、地球或木星相對火星探測器的位置矢量，即，；

表示除太陽、地球或木星之外的其他外力對火星探測器產生的加速度。?

進一步的，在上述方法中，軌道發生器模塊根據所述理論位置獲取火星的仿真圖像的步驟包括：