专利名称：一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统及方法，其可应用 于深空自主导航光学敏感器半物理仿真实验。
背景技术：
在航天技术领域，深空探测光学导航恒星敏感器是一个甚高精度星敏感器，如其 精度要求0.5"，与传统恒星敏感器比较有很大的区别，如入瞳口径为150mm左右，焦距在 IOOOm左右，视场角在Γ 2°。这样一类敏感器主要对深空探测器巡航段轨道四周的小 行星进行识别，并确定其相对于惯性空间的角位置，利用小行星星历数据，解算出深空探测 器相对于地心惯性坐标系的位置和速度。深空探测光学导航恒星敏感器研制过程的重要一环就是对其功能和性能指标进 行检测，这种检测包括静态检测和半物理仿真检测，静态检测方法一般教科书都具有描述， 这类星敏感器的动态功能和性能检测一般都是比较困难的，目前没有实验室动态检测方法 的报道，一把采用室外观星的办法，如美国DS-I号火星探测器自主导航星敏感器在地面试 验时，直接采用室外观星的方法，虽然能够说明其一定的性能，但是受到大气抖动的影响和 温度变化影响，其所验证精度受到干扰，不能完全客观反映星敏感器的精度。欧洲空间局的 火星探测任务所采用的自主导航敏感器地面试验时也是采用室外观星方案验证敏感器综 合性能，当然也存在上述问题。这里所说的星敏感器，是通过成像测量恒星在惯性空间角位置的方法确定航天器 姿态的一类光学敏感器。在恒星敏感器进行功能检验和性能检验时，一种常见的方法是通 过恒星模拟器生成星模拟成像目标，进入到星敏感器镜头，成像在恒星敏感器焦平面上，按 照目标角距离分布模拟成像出来太空中相关星图分布的星像。经过调研和资料查询，目前恒星模拟有单星模拟器和多星模拟器，多星模拟器又 分为静态和动态两类。静态恒星模拟器采用固定星图和镜头成像，模拟无限远恒星，动态 多星模拟器一般采用液晶光阀作为动态目标模拟器，采用准直透镜将模拟恒星成像到无限 远。目前的所有液晶光阀恒星模拟器受到恒星模拟像出射精度的限制，仅用来作为恒星敏 感器功能性检验，不作为精度检验仪器。
发明内容
本发明提供一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统及方法，其能够解 决用于小行星自主导航甚高精度恒星敏感器的恒星模拟，验证恒星敏感器的测量精度和自 主导航定位精度，对于深空自主导航敏感器研制具有广阔的应用前景。实现本发明目的的技术方案一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系 统，它包括一个恒星敏感器模拟器和一个自主导航星敏感器。所述的恒星敏感器模拟器放 置在模拟器支撑架上；所述的自主导航星敏感器固定在三轴速率转台上，自主导航星敏感 器的入瞳中心在三轴速率转台水平旋转中心轴上；所述的恒星敏感器模拟器的出瞳与自主导航星敏感器的入瞳相对接，恒星敏感器模拟器的光轴与自主导航星敏感器的光轴重合； 自主导航星敏感器、三轴速率转台和恒星敏感器模拟器均与控制与信息处理计算机连接。如上所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其所述的自主导 航星敏感器的光轴与恒星敏感器模拟器的光轴重合，重合误差不超过2mm ；所述的将恒星 敏感器模拟器的出瞳与自主导航星敏感器的入瞳相对接，误差不超过5mm。如上所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其所述的三轴速 率转台沿着三个旋转轴按照深空探测器姿态稳定性规律施以运动角速度，以模拟深空探测 器三轴不稳定运动，从而模拟出自主导航敏感器随着探测器姿态的模拟变化所产生的图像 运动。如上所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其所述的控制与 信息处理计算机用于三轴速率转台的控制，并对模拟姿态变化所得到的运动拖影图像的信 息进行处理。本发明所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验方法，其步骤如下(a)将自主导航星敏感器安装在三轴速率转台上，保证其绕三个轴转动速度和角 度与深空探测器姿态变化一致；将自主导航星敏感器的入瞳中心安装到三轴速率转台水平 旋转中心轴上，并使自主导航星敏感器的光轴与恒星敏感器模拟器的光轴重合，重合误差 不超过2mm ；(b)将恒星敏感器模拟器的出瞳与自主导航星敏感器的入瞳相对接，误差不超过 5mm ；(c)将三轴速率转台、自主导航星敏感器和恒星敏感器模拟器均加电运行，通过 控制与信息处理计算机控制三轴速率转台、恒星敏感器模拟器和自主导航星敏感器进行工 作；(d)通过恒星敏感器模拟器模拟产生恒星和小行星无限远图像，该图像相对于恒 星敏感器模拟器入瞳的运动角度应与深空探测器在惯性空间的运动角速度一致；(e)自主导航星敏感器获取来自于恒星敏感器模拟器模拟的多幅含有恒星和小行 星的目标图像，对于这些图像进行处理识别出恒星和小行星，根据小行星和恒星星历进而 得到各自小行星相对于惯性空间的角位置；利用小行星星历得到此时此刻的小行星相对指 向矢量和小行星之间的相对距离，再利用上述深空探测器对于小行星测量的指向矢量作为 观测量，采用卡尔曼滤波算法进行深空探测器位置的确定。如上所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验方法，其在控制与信息 处理计算机上通过仿真软件进行仿真试验，该仿真软件将自动控制三轴速率转台、恒星敏 感器模拟器和自主导航星敏感器进行工作，运行结束后信息处理结果保留在计算机内；所 述的仿真软件包括一个主程序和受主程序控制的6个子程序模块主程序用于系统自检、 上电和复位、子程序的调用、时序控制、导航仿真数据的生成；6个子程序模块分别是三轴 速率转台控制模块、自主导航星敏感器的曝光时间控制模块、恒星敏感器模拟器星点靶标 的星图选择控制模块、自主导航星敏感器的图像处理模块、小行星位置确定模块、与上位机 通讯模块；其中三轴速率转台控制模块接收主程序传来的深空探测器姿态变化角速率和指向变 化信息，并控制三轴速率转台作相应随动操作，使三轴速率转台三个轴产生模拟转动；
自主导航星敏感器的曝光时间控制模块在三轴速率转台转动的同时，按照上位 机发来的通讯信息对自主导航敏感器探测器曝光时间进行输入，并使自主导航星敏感器进 行图像采样，存储到存储器中，供自主导航星的图像处理模块进行处理；恒星敏感器模拟器星点靶标的星图选择控制模块按照主程序传来的预设星图 指令进行恒星敏感器模拟器中星点靶标照明阵列控制，使星点靶标星点产生预期的星点阵 列，以模拟太空中恒星的空间角位置分布，这种星点阵列分布将通过恒星敏感器模拟器成 像到无限远，再经敏感器成像； 自主导航星敏感器的图像处理模块对于自主导航星敏感器保存在存储器中的积 分采样所成的图像进行预处理星点识别的交叉相关处理恒星星图匹配处理小行星识别处 理，获取小行星所在天区内与恒星角位置关系；小行星位置确定模块通过恒星星历和小行星行历，将识别出来的小行星和恒星 与星历表对比，确定小行星在惯性空间的指向；与上位机通讯模块完成与上位控制导航计算机实现信息双向传输，从上位机得 到开关机指令曝光时间设置指令自主导航仿真的轨道参数。本发明的效果在于本发明所述的深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统及方法，其能够解决 用于小行星自主导航甚高精度恒星敏感器的恒星模拟，验证恒星敏感器的测量精度和自主 导航定位精度，对于深空自主导航敏感器研制具有广阔的应用前景，可以用来评价深空自 主导航敏感器的精度是否满足任务要求，这与以往星模拟器的作用是不同的。具体优点在 于(1)使得复杂的基于光学敏感器的深空自主导航模拟试验可在实验室内完成，模 拟精度高，获取的数据不受大气环境和温度变化影响，因此是一种星敏感器性能检测的可 靠方法；(2)采用一种大视场甚高精度星模拟器可以高保真模拟真实小行星和其附近区域 恒星，使得自主导航试验的目标源接近真实位置和亮度，所获取的观测数据具有可信性；(3)采用三轴速率转台可以仿真深空探测器的三轴姿态变化，其所承载的试验星 敏感器将获取长曝光时间下的甚高精度观测星图，使得试验室半物理仿真的星图具有在轨 图像特性，因此使图像处理和星图识别算法，以及小行星位置确定精度得到检验。(4)三轴速率转台控制和观测量提取均可在一台计算机上完成，使得试验方案可 行性高。
图1为本发明所述的一种深空自主导航半物理仿真试验系统示意图；图2为本发明所述的恒星敏感器模拟器结构示意图；图3.为仿真软件功能框图。图中1.准直物镜；2.分光组件；3.星点靶标；4.检测靶标；5.靶标照明装置； 6.焦面调整机构；7.自准直反射镜；8.自主导航星敏感器；9.恒星敏感器模拟器；10.重合 光瞳；11.三轴速率转台；12.模拟器支撑架；13.控制与信息处理计算机；14.地面。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种深空自主导航星敏感器的半物 理仿真试验系统及方法作进一步描述。本发明所述的深空探测自主导航敏感器半物理仿真试验系统及方法采用一种恒 星敏感器模拟器9仿真深空探测巡航段上自主导航星敏感器8观测到的恒星和小行星，区 别于以往在室外采用实际星空背景进行自主导航恒星敏感器的动态物理仿真实验，本发明 在实验室即可模拟深空自主导航的小行星和恒星。本发明所述的深空探测自主导航敏感器半物理仿真试验系统放置在地面14上， 包括一个放置在模拟器支撑架12上的恒星敏感器模拟器9，一个固定在三轴速率转台11上 的自主导航星敏感器8。自主导航星敏感器8的入瞳中心在三轴速率转台11水平旋转中心 轴上。恒星敏感器模拟器9的出瞳与自主导航星敏感器8的入瞳相对接，恒星敏感器模拟 器9的光轴与自主导航星敏感器8的光轴重合。自主导航星敏感器8、三轴速率转台11和 恒星敏感器模拟器9均与控制与信息处理计算机13连接。上述的恒星敏感器模拟器9用于模拟深空探测器巡航段沿途可观测的小行星及 其附近恒星发光。其可采用申请人同期申请专利“一种恒星敏感器的模拟器”，将星点靶标 3通过一个准直物镜1成像到无限远实现的。恒星敏感器模拟器9的具体结构如图2所示， 它包括准直物镜1，在准直物镜1的焦平面上设有星点靶标3，通过准直物镜1将星点靶标 3成像到无限远；星点靶标3固定在焦面调整机构6上以实现多自由度调整；靶标照明装置 5为星点靶标3提供照明；在准直物镜1和星点靶标3之间设置分光组件2，分光组件2与 星点靶标3的距离大于准直物镜1的入瞳半径；在分光组件2侧面还设有检测靶标4，检测 靶标4到分光组件2的中心距离与星点靶标3到分光组件2的中心距离相等；在准直物镜 1前面设置自准直反射镜7。上述自主导航星敏感器8用于深空探测巡航段自主导航的小行星观测量的测量， 主要通过该敏感器拍摄巡航段已知星历的小行星及其周围恒星，通过星图识别确定小行星 在惯性空间的指向，这样经过多次拍摄可以得到多颗小行星在惯性空间的指向，再根据星 历表进行几何解算和滤波处理得到深空探测器在惯性空间的轨道位置和速度，其可采用申 请人同期申请专利“一种星敏感器”。上述的三轴速率转台11沿着三个旋转轴按照深空探测器姿态稳定性规律施以运 动角速度，以模拟深空探测器三轴不稳定运动，从而模拟出自主导航敏感器随着探测器姿 态的模拟变化所产生的图像运动。上述的控制与信息处理计算机13用于三轴速率转台11的控制和模拟姿态变化所 得到的运动拖影图像的信息处理。此外还可控制靶标照明装置5的星点图案的选择。本发明所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验方法，其步骤如下(a)将自主导航星敏感器8通过工装安装在三轴速率转台11上，保证其绕三个轴 转动速度和角度与姿态变化一致，将自主导航星敏感器8的入瞳中心安装到转台水平旋转 中心轴上，并使其光轴与恒星敏感器模拟器9的光轴重合，重合误差不超过2mm。(b)将恒星敏感器模拟器9的出瞳(即出射平行光的光栏)与自主导航星敏感器 8的入瞳相对接，误差不超过5mm。(c)将三轴速率转台11、自主导航星敏感器8和模拟器9均加电运行，通过控制与信息处理计算机13的控制程序进行。三轴速率转台11的运动控制与靶标变换控制在算法 上做到不相关联。(d)采用比自主导航星敏感器视场角略大的甚高出射精度的恒星敏感器模拟器9 模拟产生恒星和小行星无限远图像，该图像相对于恒星敏感器模拟器9入瞳的运动角度应 与深空探测器在惯性空间的运动角速度一致。(e)自主导航星敏感器8获取来自于恒星敏感器模拟器9模拟的多幅含有恒星和 小行星的目标图像，这些目标图像包含了长时间姿态不稳定性和噪声信息，对于这些图像 进行处理，识别出恒星和小行星，根据小行星和恒星星历进而得到各自小行星相对于惯性 空间的角位置；利用小行星星历得到此时此刻的小行星相对指向矢量和小行星之间的相对 距离，再利用上述深空探测器对于小行星测量的指向矢量作为观测量，采用卡尔曼滤波算 法进行深空探测器位置的确定。在控制与信息处理计算机13上通过仿真软件进行仿真试验，该仿真软件将自动 控制三轴速率转台11、恒星敏感器模拟器9和自主导航星敏感器8进行工作，运行结束后信 息处理结果保留在计算机内。如图3所示，所述的仿真软件包括一个主程序和受主程序控 制的6个子程序模块主程序用于系统自检、上电和复位、子程序的调用、时序控制、导航仿 真数据的生成；6个子程序模块分别是三轴速率转台控制模块、自主导航星敏感器的曝光 时间控制模块、恒星敏感器模拟器星点靶标的星图选择控制模块、自主导航星敏感器的图 像处理模块、小行星位置确定模块、与上位机通讯模块；其中三轴速率转台控制模块接收主程序传来的深空探测器姿态变化角速率和指向变 化信息，并控制三轴速率转台11作相应随动操作，使三轴速率转台11三个轴产生模拟转 动；自主导航星敏感器的曝光时间控制模块在三轴速率转台11转动的同时，按照上 位机发来的通讯信息对自主导航敏感器探测器曝光时间进行输入，并使自主导航星敏感器 8进行图像采样，存储到存储器中，供自主导航星的图像处理模块进行处理；恒星敏感器模拟器星点靶标的星图选择控制模块按照主程序传来的预设星图指 令进行星点靶标3照明阵列控制，使星点靶标3星点产生预期的星点阵列，以模拟太空中恒 星的空间角位置分布，这种星点阵列分布将通过恒星敏感器模拟器9成像到无限远，再经 敏感器成像； 自主导航星敏感器的图像处理模块对于自主导航星敏感器保存在存储器中的积 分采样所成的图像进行预处理星点识别的交叉相关处理恒星星图匹配处理小行星识别处 理，获取小行星所在天区内与恒星角位置关系；小行星位置确定模块通过恒星星历和小行星行历，将识别出来的小行星和恒星 与星历表对比，确定小行星在惯性空间的指向；与上位机通讯模块主要完成与上位控制导航计算机实现信息双向传输，从上位 机得到开关机指令曝光时间设置指令自主导航仿真的轨道参数。本发明提出了一种在实验室内进行的星敏感器性能检测和自主导航精度验证方 法，采用这种方法可以改变以往此类试验的试验方法(以往在室外借助于自然星空和地球 自转完成星敏感器的整体性能评价。采用这种方法可以获取精度验证，可以得到在轨姿态 变化下的物理模拟图像进行自主导航算法验证。通过三轴转台的控制实现长曝光时间下姿态不稳定性带来的图像效果。星图变化可以通过星点靶标的调节进行，避免了液晶光阀模 拟的帧率变化带来的模拟不连续性影响。
权利要求
1.一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，它包括一个恒星敏感器模拟器 (9)和一个自主导航星敏感器(8)，其特征在于所述的恒星敏感器模拟器(9)放置在模拟 器支撑架(1 上；所述的自主导航星敏感器(8)固定在三轴速率转台(11)上，自主导航星 敏感器(8)的入瞳中心在三轴速率转台(11)水平旋转中心轴上；所述的恒星敏感器模拟器 (9)的出瞳与自主导航星敏感器(8)的入瞳相对接，恒星敏感器模拟器(9)的光轴与自主导 航星敏感器(8)的光轴重合；自主导航星敏感器(8)、三轴速率转台(11)和恒星敏感器模 拟器(9)均与控制与信息处理计算机(1 连接。
2.根据权利要求1所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其特征 在于所述的自主导航星敏感器(8)的光轴与恒星敏感器模拟器(9)的光轴重合，重合误 差不超过2mm所述的将恒星敏感器模拟器(9)的出瞳与自主导航星敏感器(8)的入瞳相对 接，误差不超过5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其 特征在于所述的三轴速率转台(11)沿着三个旋转轴按照深空探测器姿态稳定性规律施 以运动角速度，以模拟深空探测器三轴不稳定运动，从而模拟出自主导航敏感器(8)随着 探测器姿态的模拟变化所产生的图像运动。
4.根据权利要求3所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统，其特征 在于所述的控制与信息处理计算机(13)用于三轴速率转台(11)的控制，并对模拟姿态变 化所得到的运动拖影图像的信息进行处理。
5.一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验方法，其特征在于该方法步骤如下(a)将自主导航星敏感器(8)安装在三轴速率转台(11)上，保证其绕三个轴转动速度 和角度与深空探测器姿态变化一致；将自主导航星敏感器(8)的入瞳中心安装到三轴速率 转台(11)水平旋转中心轴上，并使自主导航星敏感器(8)的光轴与恒星敏感器模拟器(9) 的光轴重合，重合误差不超过2mm(b)将恒星敏感器模拟器(9)的出瞳与自主导航星敏感器(8)的入瞳相对接，误差不超 过 5mm ；(c)将三轴速率转台(11)、自主导航星敏感器(8)和恒星敏感器模拟器(9)均加电运 行，通过控制与信息处理计算机(1 控制三轴速率转台(11)、恒星敏感器模拟器(9)和自 主导航星敏感器(8)进行工作；(d)通过恒星敏感器模拟器(9)模拟产生恒星和小行星无限远图像，该图像相对于恒 星敏感器模拟器(9)入瞳的运动角度应与深空探测器在惯性空间的运动角速度一致；(e)自主导航星敏感器(8)获取来自于恒星敏感器模拟器(9)模拟的多幅含有恒星和 小行星的目标图像，对于这些图像进行处理识别出恒星和小行星，根据小行星和恒星星历 进而得到各自小行星相对于惯性空间的角位置；利用小行星星历得到此时此刻的小行星相 对指向矢量和小行星之间的相对距离，再利用上述深空探测器对于小行星测量的指向矢量 作为观测量，采用卡尔曼滤波算法进行深空探测器位置的确定。
6.根据权利要求5所述的一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验方法，其特征 在于在控制与信息处理计算机(1 上通过仿真软件进行仿真试验，该仿真软件将自动控 制三轴速率转台(11)、恒星敏感器模拟器(9)和自主导航星敏感器(8)进行工作，运行结束后信息处理结果保留在计算机内；所述的仿真软件包括一个主程序和受主程序控制的6个 子程序模块主程序用于系统自检、上电和复位、子程序的调用、时序控制、导航仿真数据的 生成；6个子程序模块分别是三轴速率转台控制模块、自主导航星敏感器的曝光时间控制 模块、恒星敏感器模拟器星点靶标的星图选择控制模块、自主导航星敏感器的图像处理模 块、小行星位置确定模块、与上位机通讯模块；其中三轴速率转台控制模块接收主程序传来的深空探测器姿态变化角速率和指向变化信 息，并控制三轴速率转台作相应随动操作，使三轴速率转台三个轴产生模拟转动；自主导航星敏感器的曝光时间控制模块在三轴速率转台转动的同时，按照上位机发 来的通讯信息对自主导航敏感器探测器曝光时间进行输入，并使自主导航星敏感器进行图 像采样，存储到存储器中，供自主导航星的图像处理模块进行处理；恒星敏感器模拟器星点靶标的星图选择控制模块按照主程序传来的预设星图指令进 行恒星敏感器模拟器中星点靶标照明阵列控制，使星点靶标星点产生预期的星点阵列，以 模拟太空中恒星的空间角位置分布，这种星点阵列分布将通过恒星敏感器模拟器成像到无 限远，再经敏感器成像；自主导航星敏感器的图像处理模块对于自主导航星敏感器保存在存储器中的积分采 样所成的图像进行预处理星点识别的交叉相关处理恒星星图匹配处理小行星识别处理，获 取小行星所在天区内与恒星角位置关系；小行星位置确定模块通过恒星星历和小行星行历，将识别出来的小行星和恒星与星 历表对比，确定小行星在惯性空间的指向；与上位机通讯模块完成与上位控制导航计算机实现信息双向传输，从上位机得到开 关机指令曝光时间设置指令自主导航仿真的轨道参数。
全文摘要
本发明提供一种深空自主导航星敏感器的半物理仿真试验系统及方法。其恒星敏感器模拟器放置在模拟器支撑架上，自主导航星敏感器固定在三轴速率转台上；自主导航星敏感器的入瞳中心在三轴速率转台水平旋转中心轴上；恒星敏感器模拟器的出瞳与自主导航星敏感器的入瞳相对接，恒星敏感器模拟器的光轴与自主导航星敏感器的光轴重合；自主导航星敏感器、三轴速率转台和恒星敏感器模拟器均与控制与信息处理计算机连接。本发明能够解决用于小行星自主导航甚高精度恒星敏感器的恒星模拟，验证恒星敏感器的测量精度和自主导航定位精度，对于深空自主导航敏感器研制具有广阔的应用前景。
文档编号G01C25/00GK102116641SQ20091021691
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者王大轶, 郝云彩, 黄翔宇 申请人:北京控制工程研究所