CN104296754B - 基于空间激光通信端机的自主导航***及其自主导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间激光通信端机的自主导航***及其自主导航方法。本发明在传统的空间激光通信端机的基础上，增加了星体捕获***，从而能够识别恒星以及行星或其卫星并获得方位信息，通过计算恒星‑航天器‑行星(或其卫星)之间的夹角，最终获得航天器自身的位置信息，实现导航过程。本发明不需要再采用一套额外的自主导航装置，空间激光通信端机自身就可以获得导航信息，节省了相关的研发、发射和运行的费用，减小了航天器有效载荷的体积、重量和功耗；有利于提高自主导航***的整体性能；根据导航结果为深空探测提供近乎实时地进行飞行轨道校正，不但可以消除星地之间的信号往返延迟，也可以省去地面数据处理。

Description

基于空间激光通信端机的自主导航***及其自主导航方法

技术领域

本发明涉及航天器自主导航技术，尤其涉及一种基于空间激光通信端机的自主导航***及其自主导航方法。

背景技术

随着航天技术和深空探测技术的不断发展，对航天器导航的性能要求也越来越高。航天器的自主导航因为具有实时性、成本低和生存能力强等优点，得到了人们的普遍重视。早在二十世纪70年代，LeMay将航天器自主导航装置概括为以下四种特征：(1)自主控制；(2)实时操作；(3)不借助于与其它星体的通信；(4)不依赖地面站。航天器的自主导航就是依赖星载设备和技术，实时为在轨航天器提供精准的轨道及姿态参数，它不仅是航天器自主性的一个重要方面，而且对于航天器在轨生存能力及扩展其在空间应用能力都具有非常重要的意义。随着各种面向复杂应用背景的高精度传感器大量涌现，航天器自主导航技术迅速发展起来，其技术途径主要包括：(1)天文导航；(2)地磁场导航；(3)导航星导航；(4)星间相对测量导航。与导航星导航和星间相对测量相比，天文导航是一种完全自主的导航。

天文导航的主要方法是利用星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器、磁强计、激光高度计等仪器实现自主导航功能，这种方法的特征是需要采用专门的、独立的设备，其后果无疑是增加了航天器整体的成本、体积、重量和功耗，以及发射和维护的费用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于空间激光通信端机的自主导航***及其自主导航方法，在通信端机中融入导航功能，从而不必增加额外的导航设备，而具有自主导航功能。

本发明的一个目的在于提供一种基于空间激光通信端机的自主导航***。

本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***包括：光学望远镜、精瞄装置、信标光装置、分光光路、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置、星体捕获***、控制***和航天器平台接口；其中，粗瞄机械指向装置连接至光学望远镜，控制其对准空间方位；光学望远镜采集到的入射光束通过精瞄转镜，经分光光路，一路光束进入星体捕获***，另一路进入发射接收标定装置；信标光装置、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置和星体捕获***分别与控制***相连接；控制***与航天器平台接口相连接；星体捕获***捕获并识别恒星，并获得恒星的方位信息，以及捕获某行星或其卫星并获得其中心方位信息。

本发明的自主导航***具有两种工作模式，一种是导航模式，一种是空间激光通信模式。当自主导航***处于导航模式时，粗瞄机械指向装置在控制***的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获***的视场中会出现多颗(三颗以上)恒星，光学望远镜将恒星发出的光束进行会聚，变为窄光束；精瞄装置根据发射接收标定装置中的精瞄接收装置给出的入射光斑方位信息，对入射光束进行跟踪对准，以补偿航天器平台的振动所带来的入射光束的抖动；经过分光光路后入射光束进入星体捕获***中；星体捕获***对恒星进行识别；然后，再控制粗瞄机械指向装置将光学望远镜对准一颗行星或其卫星，通过对行星或其卫星图像进行处理，利用边缘检测、拟合、求质心等方法，获得行星或其卫星的中心方位信息；最后，选择一颗已识别的恒星与航天器连接得到一直线，再将行星或其卫星的中心与航天器连接，得到另外一条直线，根据这两个直线的夹角，利用航天器轨道方程，即可得到航天器在某一时刻的位置，即导航信息。

星体捕获***包括聚焦光路、面阵图像传感器、图像采集及处理装置、导航计算电路和星库存储器；其中，进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器上；面阵图像传感器接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像，图像采集及处理装置对图像进行初步处理，获得增强图像；导航计算电路对图像做进一步处理，计算相关参数，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星。图像采集及处理装置对图像进行初步处理，获得增强的图像。导航计算电路对图像做进一步处理，利用星图识别算法，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星。随后，对所瞄准的行星或其卫星进行处理，得到其中心的方位信息，最终根据轨道方程，计算***所在的位置，即导航信息。星体捕获***可与控制***进行数据交换。如果在光学望远镜中，直接把入射光束聚焦，则此处不需要加聚焦光路。

分光光路的作用是把星体捕获***同发射接收标定装置分开。当***处于空间激光通信模式，光学望远镜收集入射光束或者发射激光光束；精瞄装置对入射光束进行跟踪对准，以补偿航天器平台的振动所带来的入射光束的抖动，最终对准对方的通信端机；经分光光路后，入射光束进入发射接收标定装置，进行正常的航天器通信。

发射接收标定装置一般包括通信接收装置、通信发射装置、粗瞄捕获传感器、精瞄接收装置和标定装置等。因不同的发射接收标定装置的差异，各个装置的设计上会有差异；其中，通信接收装置接收对方通信端机发射来的调制通信信号；通信发射装置对要传递的信息进行调制编码，形成通信光；标定装置对发射通道和接收通道的方向一致性进行校准，使二者一致。粗瞄捕获传感器主要用来对入射光进行宽视场的接收与检测，对入射的光斑进行粗定位，而精瞄接收装置用于确定感光面上入射光斑的精确位置，两者均可以采用四象限探测器4QD、CCD相机或CMOS相机来实现。

控制***对整个发射接收标定装置的各个分***或各个功能***进行协调和控制，采集相关数据、发布执行命令，并具备与航天器平台接口进行数据交换的功能，可以采用嵌入式计算机及接口来实现。

航天器平台接口主要用于从航天器平台读取相关数据，例如，发射接收标定装置需要的星历数据、平台惯性陀螺的姿态变化数据等。这些数据可用于空间激光通信的捕获过程以及补偿航天器平台姿态变化，有利于激光链路的快速建立。

本发明的另一个目的在于提供一种基于空间激光通信端机的自主导航***的自主导航方法。

本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的自主导航方法，包括以下步骤：

1)自主导航***处于导航模式，粗瞄机械指向装置在控制***的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获***的视场中会出现三颗以上恒星，光学望远镜将恒星发出的光束进行会聚，变为窄平行光束或会聚光束；

2)精瞄装置对入射光束进行跟踪对准，以补偿航天器平台的振动所带来的入射光束的抖动，经过分光光路后入射光束进入星体捕获***中；

3)星体捕获***对恒星进行识别，然后获得恒星的方位信息；

4)控制***控制粗瞄机械指向装置将光学望远镜对准一个行星或其卫星，再由星体捕获***获得行星或其卫星的中心方位信息；

5)星体捕获***中的导航计算电路将从已识别的多颗恒星中选择一颗恒星与航天器连接得到一条直线，再将行星或其卫星的中心与航天器连接，得到另外一条直线，根据这两个直线的夹角，利用航天器轨道方程，即可得到航天器在某一时刻的位置，即导航信息。

其中，在步骤3)中，进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器上；面阵图像传感器接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像；图像采集及处理装置对图像进行初步处理，获得增强图像；导航计算电路对图像做进一步处理，利用星图识别算法，如星光角距，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星。

空间激光通信端机作为航天器的有效载荷加载在航天器上，本身具有捕获和通信功能，本发明在传统的空间激光通信端机的基础上，增加了星体捕获***，从而能够识别恒星以及行星或其卫星并获得方位信息，通过计算恒星-航天器-行星(或其卫星)之间的夹角，最终获得航天器自身的位置信息，实现导航过程。

本发明的优点：

(1)不需要再采用一套额外的自主导航装置，空间激光通信端机自身就可以获得导航信息，节省了相关的研发、发射和运行的费用，减小了航天器有效载荷的体积、重量和功耗；

(2)在导航过程中可以获得自主导航***的姿态数据，这个数据可以用于激光通信链路的建立，相对于利用航天器平台提供的姿态数据，可以大大减小空间激光通信端机的开环瞄准不确定范围，最终减小链路建立时间，有利于提高自主导航***的整体性能；

(3)利用本发明提供的定姿导航功能，可以为深空探测提供另一种新的自主导航技术，其优势是可以根据导航结果，以近乎实时地进行飞行轨道校正，不但可以消除星地之间的信号往返延迟，也可以省去地面数据处理。

附图说明

图1为本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的结构框图；

图2为本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的星体捕获***的结构框图；

图3为本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的一个实施例的示意图；

图4为本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的光学望远镜的示意图；

图5为本发明的图像采集及处理装置、导航计算电路及星库存储器的连接关系图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***包括：光学望远镜、精瞄装置、信标光装置、分光光路、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置、星体捕获***、控制***和航天器平台接口；其中，粗瞄机械指向装置连接至光学望远镜，控制其对准空间方位；光学望远镜采集到的入射光束通过精瞄转镜，经分光光路，一路光束进入星体捕获***，另一路进入发射接收标定装置；信标光装置、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置和星体捕获***分别与控制***相连接；控制***与航天器平台接口相连接；星体捕获***捕获并识别恒星，并获得恒星的方位信息，以及捕获一颗较近的行星或其卫星并获得其中心方位信息。

如图2所示，星体捕获***包括聚焦光路、面阵图像传感器、图像采集及处理装置、导航计算电路和星库存储器；其中，进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器上；面阵图像传感器接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像，经过一次或多次星体捕获过程之后，图像采集及处理装置对图像进行初步处理，获得增强的图像；导航计算电路对图像做进一步处理，利用星图识别算法，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出恒星。星体捕获***还可以瞄准较近的行星或其卫星，得到其中心方位信息。导航计算电路将从已识别的多颗恒星中选择一颗恒星与航天器连接得到一条直线，再将行星或其卫星的中心与航天器连接，得到另外一条直线，根据这两个直线的夹角，利用航天器轨道方程，即可得到航天器在某一时刻的位置，即导航信息。

如图3所示，本实施例中，基于空间激光通信端机的自主导航***包括：光学望远镜1、精瞄装置2、分光光路3、信标光装置9、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置4、星体捕获***5、控制***7和航天器平台接口8；星体捕获***5包括聚焦光路51、面阵图像传感器52、图像采集及处理装置53、导航计算电路54和星库存储器55。光学望远镜1采用反射式望远镜，优点是无色差，尺寸紧凑。反射式望远镜采用卡塞格伦、R-C及其他非球面形式的望远镜。精瞄装置2采用精瞄转镜，使入射光束做二维高速转动，可通过高速PZT来实现。分光光路3采用半透半反镜，或者二相色分光镜。面阵图像传感器52采用CCD或CMOS器件。

发射接收标定装置包括窄带干涉滤光片61、聚焦光路62、粗瞄捕获传感器63、快门64、角锥棱镜65、通信接收装置66、精瞄接收装置67和通信发射装置68，69为分光棱镜；其中，窄带干涉滤光片61使很窄光谱入射光束透过，减小背景光和其他干扰光源；快门64可在标定接收通道与发射通道一致性的时候打开，否则关闭；角锥棱镜65使入射光束沿原方向返回；通信接收装置66接收来自对方通信端机发射的通信光；精瞄接收装置67精瞄接收装置就是一个高速光电传感器，用于确定感光面上光斑的位置，可以采用四象限探测器4QD，CCD相机或CMOS相机，对来自对方通信端机的光束进行光电敏感，得到其方向，为精跟瞄提供反馈数据，可采用高速CCD或CMOS相机、4QD来实现。68主要是通信激光光源进行调制、编码、准直后，得到准平行的光束，构成通信发射装置。

传统结构的反射式望远镜***视场一般比较小，使得在星体捕获阶段往往需要多次捕获恒星，通过视场拼接，才能识别星座，为提高捕获速度，本发明的光学望远镜1如图4所示，包括三个非球面镜11、12和13，以及一个平面反射镜14，15为目镜；平行光束入射至非球面镜12后，汇聚并反射至非球面镜11，由11反射通过12和13中间的通孔入射至平面反射镜14，然后反射至13，由13反射、聚焦，通过平面反射镜14的通孔入射至目镜15；通过11、12、13和14的光路与目镜15共聚焦。采用图4的光学望远镜，视场可以达到2.5。，可得到很好的像差校正。

图5是图像采集及处理装置、导航计算电路及星库存储器的连接关系图，图像采集及处理装置包括图像接口、现场可编程门阵列FPGA和可编程只读存储器PROM；导航计算电路包括静态随机存储器SRAM和数字信号处理器DSP；图像采集及处理装置的现场可编程门阵列与导航计算电路的数字信号处理器之间通过数据总线电平转换相连；导航计算电路的数字信号处理器与星库存储器相连接，星库存储器采用闪存FLASH。

下面以地球为选中的行星为例，具体说明本发明的自主导航方法。

本发明的基于空间激光通信端机的自主导航***的自主导航方法，包括以下步骤：

1)控制***控制自主导航***处于导航模式，粗瞄机械指向装置4在控制***7的控制下，将光学望远镜1对准空间的某一方向，星体捕获***5的视场中会出现若干恒星，光学望远镜1将恒星发出的光束进行会聚，变为窄光束；

2)精瞄装置2对入射光束进行跟踪对准，以补偿航天器平台的振动所带来的入射光束的抖动；经过分光光路3后入射光束进入星体捕获***5中；

3)进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路51进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器52上，面阵图像传感器52接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像，经过一次或多次星体捕获过程之后，图像采集及处理装置53及导航计算电路54对图像进行处理，与星库存储器55中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星；

4)控制***7控制粗瞄机械指向装置4将光学望远镜1对准地球，再由星体捕获***5获得，利用间接敏感地平的方式可以获得地平信息，获得地心中心方位；

5)将已识别的恒星与航天器连接得到一直线，再将地心与航天器连接，得到另外一条直线，根据这两个直线的夹角，利用航天器轨道方程，即可得到航天器在某一时刻的位置，即导航信息。

事实上，在自主导航***刚开始工作时，对恒星进行识别之后，利用姿态确定算法，就可以得到通信端机的姿态数据，该数据有别于航天器平台的姿态，它更准确。

其中，在步骤4)中，间接敏感地平的原理是当星光通过地球大气时，由于大气密度不均匀，会使光线发生折射，弯向地心方向，从而使恒星视位置比实际位置上移。折射角取决于星光频率和大气密度。利用本发明中的星体捕获***5获取折射的星光，通过建立折射光相对于地球视高度与折射角之间的观测方程，获得地平信息，得到地心方位信息。

上面描述的导航过程侧重于离地球比较近的情况，利用星光折射角，得到地心方位信息；当航天器离地球比较远时，比如深空探测，仍然可以利用本发明，只是在识别了恒星星座之后，下一步通过多次瞄准较近的行星或其卫星的轮廓，经过图像处理(边缘检测，离散点拟合)，就可以计算出行星或其卫星的中心方位信息，采用类似的算法来计算导航位置信息。

本发明的自主导航***，是作为航天器的有效载荷的空间激光通信端机自身具有自主导航功能，既能实现传统的激光通信端机的空间通信功能，同时又能实现自主导航的功能，不需要添加额外的导航设备，节省了有效载荷的重量、体积、功耗和费用。

需要说明的是，如果星体捕获***5的视场比较大，则可以实现一次星体捕获多颗恒星，从而完成恒星的识别；如果星体捕获***5的视场比较小，则需要多次捕获星体，利用图像拼接的方法，完成恒星的识别。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于空间激光通信端机的自主导航***的自主导航方法，其特征在于，所述自主导航方法包括以下步骤：

1)自主导航***处于导航模式，粗瞄机械指向装置在控制***的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获***的视场中出现三颗以上恒星，光学望远镜将恒星发出的光束进行会聚；

2)精瞄装置对入射光束进行跟踪对准，以补偿航天器平台的振动所带来的入射光束的抖动，经过分光光路后入射光束进入星体捕获***中；

3)星体捕获***对恒星进行识别，然后获得恒星的方位信息；

4)控制***控制粗瞄机械指向装置将光学望远镜对准一个行星或其卫星，再由星体捕获***获得行星或其卫星的中心方位信息；

5)星体捕获***中的导航计算电路将从已识别的多颗恒星中选择一颗恒星与航天器连接得到一条直线，再将行星或其卫星的中心与航天器连接，得到另外一条直线，根据这两个直线的夹角，利用航天器轨道方程，即可得到航天器在某一时刻的位置，即导航信息；

所述自主导航***包括：光学望远镜、精瞄装置、信标光装置、分光光路、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置、星体捕获***、控制***和航天器平台接口；其中，粗瞄机械指向装置连接至光学望远镜，控制其对准空间方位；光学望远镜采集到的入射光束通过精瞄转镜，经分光光路，一路光束进入星体捕获***，另一路进入发射接收标定装置；信标光装置、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置和星体捕获***分别与控制***相连接；控制***与航天器平台接口相连接；星体捕获***捕获并识别恒星，并获得恒星的方位信息，以及捕获某行星或其卫星并获得其中心方位信息。

2.如权利要求1所述的自主导航方法，其特征在于，在步骤3)中，进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器上；面阵图像传感器接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像；图像采集及处理装置对图像进行初步处理获得增强的图像；导航计算电路对图像做进一步处理，利用星图识别算法，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星。

3.一种基于空间激光通信端机的自主导航***，其特征在于，所述自主导航***包括：光学望远镜、精瞄装置、信标光装置、分光光路、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置、星体捕获***、控制***和航天器平台接口；其中，粗瞄机械指向装置连接至光学望远镜，控制其对准空间方位；光学望远镜采集到的入射光束通过精瞄转镜，经分光光路，一路光束进入星体捕获***，另一路进入发射接收标定装置；信标光装置、发射接收标定装置、粗瞄机械指向装置和星体捕获***分别与控制***相连接；控制***与航天器平台接口相连接；星体捕获***捕获并识别恒星，并获得恒星的方位信息，以及捕获某行星或其卫星并获得其中心方位信息；其中，光学望远镜包括三个非球面镜，以及一个平面反射镜和目镜；平行光束入射至第二非球面镜后，汇聚并反射至第一非球面镜，由第一非球面镜反射通过第二和第三非球面镜中间的通孔入射至平面反射镜，然后反射至第三非球面镜，由第三非球面镜反射并聚焦，通过平面反射镜的通孔入射至目镜；通过三个非球面镜和平面反射镜的光路与目镜共聚焦。

4.如权利要求3所述的自主导航***，其特征在于，所述星体捕获***包括聚焦光路、面阵图像传感器、图像采集及处理装置、导航计算电路和星库存储器；其中，进入到星体捕获***的光束首先经过聚焦光路进行聚焦，然后投射到面阵图像传感器上；面阵图像传感器接收入射光束，并完成光电转换，从而捕获星体图像；图像采集及处理装置对图像进行初步处理，获得增强的图像；导航计算电路对图像做进一步处理，利用星图识别算法，并与星库存储器中的恒星数据信息进行匹配，最终识别出所瞄准的恒星。

5.如权利要求4所述的自主导航***，其特征在于，所述图像采集及处理装置包括图像接口、现场可编程门阵列和可编程只读存储器；导航计算电路包括静态随机存储器和数字信号处理器；图像采集及处理装置的现场可编程门阵列与导航计算电路的数字信号处理器之间通过数据总线电平转换相连；导航计算电路的数字信号处理器与星库存储器相连接。