专利名称：基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航半物理仿真试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自主导航仿真试验系统，特别是一种基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航半物理仿真试验系统，属于自主导航技术领域。
背景技术：
自主导航技术是指卫星在不依赖地面系统支持的情况下，仅依靠星载测量设备在轨实时地确定卫星的位置和速度，也称自主轨道确定。对于卫星系统来讲，自主导航有利于降低卫星对地面的依赖程度，提高系统生存能力，例如战时，当地面测控站遭到敌方的破坏和干扰时，仍能完成轨道的确定和保持，这对军事卫星来讲具有非常重要的意义。此外，自主导航还可以有效减轻地面测控站的负担，降低地面支持成本，从而降低整个航天计划的研制费用。自主导航是卫星实现自主控制的基本前提和基础，也是构造星座、天基组网的关键技术之一。
基于双圆锥红外和星敏感器进行自主导航是一种典型的天文导航方法，通过观测地球、恒星的方位信息来确定卫星的位置。双圆锥红外与单圆锥红外相比的优点在于，利用对红外检测信号处理，能消除与地球敏感器相关的地心方向的测量误差。利用双圆锥得到的两个地球弦宽可以计算出卫星到地心的距离，提高滤波收敛速度。双圆锥红外另一个优点是有更宽的轨道高度使用范围。
由于直接飞行试验成本高、风险大，采用地面设备构建试验系统进行半物理仿真试验研究是必要的过程。国内对基于红外地球信息的卫星的自主导航技术进行了很多研究，如李明群、魏春岭在2008年10月第五期第34卷空间控制技术与应用上发表的“红外地球敏感器测量值修正算法及其应用研究” 一文，公开了基于双圆锥红外地球敏感器进行自主导航的相关算法，其中并未涉及相应的地面试验验证系统。发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航半物理仿真试验系统，实现了硬件在回路内的基于真实测量过程的仿真验证实验，可以有效地在地面验证卫星全自主导航系统的性能。
本发明的技术解决方案是基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航仿真试验系统，包括双圆锥红外地球敏感器、双弦宽地球模拟器、星敏感器、动态恒星模拟器、单轴转台、姿态轨道仿真器、导航计算机和控制计算机，其中
双圆锥红外地球敏感器安装在单轴转台上，双圆锥红外地球敏感器具有单一的光学扫描头部，利用反射镜结构得到两个红外通道，通过观测双弦宽地球模拟器获取扫入扫出两个地球弦宽的脉冲测量信号，并将所述测量信号送至导航计算机；
单轴转台带动双圆锥红外地球敏感器转动，模拟星体的滚动姿态；
双弦宽地球模拟器用于模拟两个地球弦宽，为双圆锥红外地球敏感器提供两路测量目标；
星敏感器用于测量卫星惯性姿态，通过观测动态恒星模拟器的恒星星图得到惯性姿态四元数测量信号，并将所述测量信号送至导航计算机；
动态恒星模拟器用于模拟随卫星运行而变化的恒星星姿态轨道仿真器利用卫星轨道动力学模型进行卫星姿态轨道计算，姿态轨道数据发送至控制计算机，并将计算结果作为基准数据发送至导航计算机；
控制计算机根据基准的姿态轨道数据生成弦宽指令控制地球模拟器弦宽变化模拟卫星高度变化，生成姿态角指令控制单轴转台转动模拟卫星滚动角变化，生成惯性姿态四元数指令控制动态恒星模拟器星图变化模拟卫星在轨运动过程；
导航计算机根据双圆锥红外地球敏感器传来的地球脉冲测量信号、星敏感器传来的惯性姿态四元数测量信号，进行导航滤波计算，得到卫星的位置估计值和速度估计值；将所述的卫星位置估计值和速度估计值与姿态轨道仿真器给出的卫星姿态轨道计算结果进行比较，得到导航精度。
本发明与现有技术相比的优点在于
(1)本发明利用双圆锥红外地球敏感器和星敏感器测量数据进行实时导航解算， 导航结果与基准数据进行比对，从而对自主导航系统的性能、导航精度进行有效的验证。
(2)本发明与单纯的数学仿真相比，双圆锥红外地球敏感器和星敏感器采用真实部件，能更有效地对自主导航算法进行验证；
(3)本发明仿真试验系统采用动态恒星模拟器的星图变化来模拟卫星在轨运动， 利用双弦宽地球模拟器的弦宽大小变化来模拟卫星高度变化，简单方便；
(4)本发明控制计算机控制方法简单方便，易于实现。
图1为本发明仿真试验系统的组成原理框图2为本发明仿真试验系统中双圆锥红外地球敏感器测量坐标系示意图3为本发明仿真试验系统中双圆锥红外地球敏感器扫描示意图4为本发明仿真试验系统的试验结果图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明主要包括双圆锥红外地球敏感器、双弦宽地球模拟器、星敏感器、动态恒星模拟器、单轴转台、姿态轨道仿真器、导航计算机、控制计算机。双圆锥红外安装在单轴转台上，单轴转台可以带动双圆锥红外转动模拟卫星滚动姿态。双圆锥红外地球敏感器观测双弦宽地球模拟器，星敏感器观测动态恒星模拟器。姿态轨道仿真器利用卫星轨道动力学模型进行卫星姿态轨道计算，计算结果作为基准数据发送到控制计算机和导航计算机。控制计算机根据基准的姿态轨道数据生成弦宽指令控制地球模拟器弦宽变化模拟卫星高度变化，生成滚动角指令驱动单轴转台转动模拟卫星姿态变化，生成惯性姿态四元数指令驱动动态恒星模拟器星图变化模拟卫星在轨运动过程。导航计算机采集双圆锥红外和星敏感器的测量数据，进行自主导航解算，解算结果与姿态轨道仿真器基准数据进行比对，对自主导航精度进行评估。
一、关键部件具体设计与实施
(1)双圆锥红外地球敏感器
双圆锥扫描式红外地球敏感器具有单一的光学扫描头部，利用反射镜结构得到两个红外通道，扫描红外通道的轨迹是两个共轴的圆锥，半锥角分别为38度和73度。光学头部扫描一圈，热电检测器最多可以检测到四个地平脉冲穿越信号。由脉冲信号出现的时刻可以确定地心方向矢量在双圆锥红外地球敏感器测量坐标系中的坐标，并可求得卫星到地心的距离。
如图2所示，定义双圆锥红外地球敏感器测量坐标系乂原点Os为双圆锥红外地球敏感器的扫描转轴与双圆锥红外地球敏感器水平面的交点，Xs轴正方向沿扫描转轴方向，&轴正方向在双圆锥红外地球敏感器水平面内，并且使得固连于双圆锥红外地球敏感器的基准点位于平面内，Ys使得OsIsYJs构成右手正交系。定义向量在双圆锥红外地球敏感器测量系的高度角δ是向量相对于Os-YJs平面的角距离，方位角Φ是向量在 Os-YsZs平面的投影与rLs的夹角。
如图3所示，双圆锥红外地球敏感器包含第一红外通道1、第二红外扫通道2。双圆锥红外地球敏感器在对地球扫描时，可以得到第一红外通道1扫入地球、第一红外通道1 扫出地球、第二红外通道2扫入地球、第二红外通道2扫出地球和红外1、2通道通过与双圆锥红外地球敏感器固联的基准点一系列脉冲时刻，如下表所示。
表1双圆锥红外得到的脉冲时刻的测量值
权利要求
1.基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航仿真试验系统，其特征在于包括双圆锥红外地球敏感器、双弦宽地球模拟器、星敏感器、动态恒星模拟器、单轴转台、姿态轨道仿真器、导航计算机和控制计算机，其中双圆锥红外地球敏感器安装在单轴转台上，双圆锥红外地球敏感器具有单一的光学扫描头部，利用反射镜结构得到两个红外通道，通过观测双弦宽地球模拟器获取扫入扫出两个地球弦宽的脉冲测量信号，并将所述测量信号送至导航计算机； 单轴转台带动双圆锥红外地球敏感器转动，模拟星体的滚动姿态； 双弦宽地球模拟器用于模拟两个地球弦宽，为双圆锥红外地球敏感器提供两路测量目标；星敏感器用于测量卫星惯性姿态，通过观测动态恒星模拟器的恒星星图得到惯性姿态四元数测量信号，并将所述测量信号送至导航计算机；动态恒星模拟器用于模拟随卫星运行而变化的恒星星图；姿态轨道仿真器利用卫星轨道动力学模型进行卫星姿态轨道计算，姿态轨道数据发送至控制计算机，并将计算结果作为基准数据发送至导航计算机；控制计算机根据基准的姿态轨道数据生成弦宽指令控制地球模拟器弦宽变化模拟卫星高度变化，生成姿态角指令控制单轴转台转动模拟卫星滚动角变化，生成惯性姿态四元数指令控制动态恒星模拟器星图变化模拟卫星在轨运动过程；导航计算机根据双圆锥红外地球敏感器传来的地球脉冲测量信号、星敏感器传来的惯性姿态四元数测量信号，进行导航滤波计算，得到卫星的位置估计值和速度估计值；将所述的卫星位置估计值和速度估计值与姿态轨道仿真器给出的卫星姿态轨道计算结果进行比较，得到导航精度。
2.根据权利要求1所述的基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航仿真试验系统，其特征在于所述控制计算机中根据卫星基准轨道姿态信息，生成地球模拟器的弦宽指令和惯性姿态四元数指令过程如下a.弦宽指令μ计算过程如下由卫^ 表示(昨L基准轨道信息(X，y，ζ)可求得卫星指向地心方向矢量在地心惯性坐标系中的
全文摘要
基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航半物理仿真试验系统，双圆锥红外地球敏感器观测双弦宽地球模拟器，星敏感器观测动态恒星模拟器，测量信号发送到导航计算机中。姿态轨道仿真器进行卫星姿态轨道计算，将卫星基准轨道姿态数据发送到控制计算机。控制计算机根据基准姿态轨道数据生成弦宽控制指令控制地球模拟器的弦宽大小，生成惯性四元数指令控制动态恒星模拟器星图变化。导航计算机根据测量信号进行导航滤波计算，得到卫星位置估计值和速度估计值，与基准数据比对后得到导航精度。本发明实现了硬件在回路内的基于双圆锥红外和星敏感器真实测量数据的半物理仿真验证试验，可以有效地在地面验证卫星全自主导航系统的性能。
文档编号G01C25/00GK102538819SQ201110409318
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者何英姿, 张斌, 李克行, 李果, 王大轶, 魏春岭 申请人:北京控制工程研究所