CN111947686A - 用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法，其中轨道/姿态发生器用于实时生成追踪星和空间目标的轨道/姿态数据；星光星图模拟计算机根据导航星库以及追踪星和空间目标的轨道/姿态数据来模拟包含恒星和空间目标的动态星图；液晶光阀和星图采集模块用于实时显示模拟的动态星图并对其进行成像；星图识别和目标检测计算机用于对拍摄的星图进行识别并检测出空间目标，进而输出空间目标相对于追踪星的视线矢量；仅测角相对导航计算机根据测得的视线矢量计算追踪星和空间目标之间的相对运动状态信息。本发明可模拟追踪星和空间目标远距离动态的相对运动轨迹，非常适合对仅测角相对导航算法进行地面半物理仿真验证。
Description
技术领域
本发明属于卫星技术领域，具体涉及一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法。
背景技术
随着世界各国对太空资源的探索和利用日益加剧，卫星应用呈现多样化，不再局限于通信、导航和遥感等传统应用领域，而是向在轨操控与服务、编队飞行和深空探测等新型航天任务扩展，其中在轨操控与服务是指航天器在轨道空间利用自身携带的工具或装置对空间目标实施动作或任务而从事的在轨活动，涉及的内容包括主动碎片清理、在轨服务和在轨装配等，而要实现这些任务需要追踪星对空间目标进行跟踪、交会及停靠等操作，这对相对导航***提出了越来越苛刻的要求。由于无源的光学传感器可用于各种距离的相对导航，对卫星总体设计的质量/功率影响很小，可以比较容易地获得空间目标相对于追踪星的视线矢量并执行相对导航任务，使得仅测角相对导航技术成为了多种高级分布式空间***任务的明确使能技术，由此提出了针对仅测角相对导航技术研究的地面半物理仿真***及方法。
进行航天器在轨飞行试验的难度和成本都很大，半物理仿真技术能为航天器研制验证提供最佳手段，在不做任何实物飞行的条件下，可对航天器的全***进行综合测试。现有的用于仅测角相对导航技术验证的地面半物理仿真***可分为静态和动态两种***形态。静态***模拟场景单一，无法得到仅测角相对导航***的动态测试性能，动态***能够满足对仅测角相对导航***进行动态测试的使用要求。查阅相关资料，现有的动态***没有配备三轴精密转台和三轴直线导轨等机械微调装置，仅能对某一参数的星敏感器进行仅测角相对导航技术的测试，并不具有通用性，不利于研究星敏感器的参数对仅测角相对导航技术的影响。目前国内尚无用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法的相关专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法，解决现有的静态地面半物理仿真***模拟场景单一，不能完成仅测角相对导航***的动态性能测试，以及动态地面半物理仿真***不具有通用性的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，包括星光星图模拟计算机、液晶光阀安装板、液晶光阀、星图采集模块、星图采集模块安装板、星图识别和目标检测计算机、仅测角相对导航计算机、三轴精密转台、实时监视显示计算机、三轴直线导轨、轨道/姿态发生器；星光星图模拟计算机和轨道/姿态发生器之间进行通信连接；星光星图模拟计算机和液晶光阀之间进行通信连接；液晶光阀固连在液晶光阀安装板上，液晶光阀安装板固连在三轴直线导轨上；星图采集模块固连在星图采集模块安装板上，星图采集模块安装板固连在三轴精密转台上，三轴精密转台固连在三轴直线导轨上；星图采集模块和星图识别和目标检测计算机之间进行通信连接；星图识别和目标检测计算机和仅测角相对导航计算机之间进行通信连接；仅测角相对导航计算机和实时监视显示计算机之间进行进行通信连接；实时监视显示计算机和轨道/姿态发生器之间进行通信连接。
一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真方法，步骤如下：
步骤1、通过设定追踪星和空间目标的轨道六根数，利用轨道/姿态发生器的STK生成追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，所述追踪星和空间目标的轨道/姿态数据包括追踪星和空间目标在惯性系下的位置，以及追踪星和空间目标相对于惯性系的姿态，进而获得追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，提供空间和时间基准，并通过局域网将生成的追踪星和空间目标的轨道/姿态数据传输给星光星图模拟计算机和实时监视显示计算机；
步骤2、星光星图模拟计算机根据导航星库以及追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，判断轨道沿途拍摄到的恒星，并根据相机成像模型计算轨道沿途拍摄到的恒星和空间目标在图像中的位置，以及模拟恒星和空间目标星光灰度等级和星体大小，进而驱动液晶光阀进行动态星图显示；
步骤3、星图采集模块对液晶光阀上显示的动态星图进行成像，并将图像传输给后端的星图识别和目标检测计算机；星图识别和目标检测计算机进行星体质心提取以及星图识别，并在星图识别的基础上进行目标检测，并将空间目标相对于追踪星的视线矢量通过局域网传输给仅测角相对导航计算机；
步骤4、仅测角相对导航计算机根据测得的空间目标相对于追踪星的视线矢量，结合航天器之间的相对动力学方程，通过卡尔曼滤波器推导出追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，并将相对轨道状态数据传输给实时监视显示计算机；
步骤5、实时监视显示计算机根据从局域网传输过来的仅测角相对导航计算机求解出的相对轨道状态数据与轨道/姿态发生器模拟的相对轨道状态数据进行比较，获得仅测角相对导航算法的相对定轨误差，进而完成对仅测角相对导航算法的性能评估。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）配备三轴精密转台和三轴直线导轨等机械微调装置，可以调整星图显示装置和星图采集模块之间的距离和角度，完成星图采集模块与星图显示装置相应视场角和分辨率的匹配，能够满足在不同参数的星图采集模块下进行仅测角相对导航算法的测试。
（2）具备高动态的星图模拟和显示能力，所生成的动态星图可以满足星图识别的要求。
（3）具有与星图采集模块相匹配的视场和相应的分辨率。
（4）整个***装置体积和质量较小，便于暗室环境的搭建，从而消除杂散光的干扰，具有较高的性噪比和较低的***误差。
（5）具有高频率动态星图更新能力，并且不产生多星和丢星的现象。
（6）能够精确地模拟观测恒星和空间目标的几何位置，单星的位置精度在30″以内，且具有较好的星等模拟能力，能够模拟6星等以上观测恒星，模拟误差小于±0.5星。
附图说明
图1 是本发明用于仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法的整体结构示意图。
图2 是本发明用于仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法的设备连接关系图。
图3 是本发明中的动态星图模拟的流程图。
图4 是本发明中的三轴精密转台的结构示意图。
图5 是本发明中的三轴直线导轨的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***,包括星光星图模拟计算机1、液晶光阀安装板2、液晶光阀3、星图采集模块4、星图采集模块安装板5、星图识别和目标检测计算机6、仅测角相对导航计算机7、三轴精密转台8、实时监视显示计算机9、三轴直线导轨10、轨道/姿态发生器11。星光星图模拟计算机1和轨道/姿态发生器11通过局域网进行通信连接；星光星图模拟计算机1和液晶光阀3通过VGA接口进行通信连接；液晶光阀3固连在液晶光阀安装板2上，液晶光阀安装板2固连在三轴直线导轨10上；星图采集模块4固连在星图采集模块安装板5上，星图采集模块安装板5固连在三轴精密转台8上，三轴精密转台8固连在三轴直线导轨10上；星图采集模块4和星图识别和目标检测计算机6通过USB3.0进行通信连接；星图识别和目标检测计算机6和仅测角相对导航计算机7通过局域网进行通信连接；仅测角相对导航计算机7和实时监视显示计算机9通过局域网进行通信连接；实时监视显示计算机9和轨道/姿态发生器11通过局域网进行通信连接。如图2所示，为本发明用于仅测角相对导航的地面半物理仿真***及方法的设备连接关系图；如图3所示，为本发明中的动态星图模拟的流程图；如图4所示，为本发明中的三轴精密转台的结构示意图；如图5所示，为本发明中的三轴直线导轨的结构示意图。
轨道/姿态发生器11的作用是实时生成追踪星和空间目标的轨道/姿态数据；星光星图模拟计算机1的作用是根据导航星库以及追踪星和空间目标的轨道/姿态数据来模拟包含恒星和空间目标的动态星图；液晶光阀3和星图采集模块4的作用是实时显示模拟的动态星图并对其进行成像；星图识别和目标检测计算机6的作用是对拍摄的星图进行识别并检测出空间目标，进而输出空间目标相对于追踪星的视线矢量；仅测角相对导航计算机7的作用是根据测得的视线矢量计算追踪星和空间目标之间的相对运动状态信息。
本发明的的原理步骤如下：
步骤1、根据图1中的总体结构示意图，轨道/姿态发生器11内部装有Matlab和STK软件，通过设定追踪星和空间目标的轨道六根数，在STK软件中生成追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，包括追踪星和空间目标在惯性系下的位置，以及追踪星和空间目标相对于惯性系的姿态，进而获得追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，提供空间和时间基准，并通过局域网将生成的追踪星和空间目标的轨道/姿态数据传输给星光星图模拟计算机1和实时监视显示计算机9；
步骤2、星光星图模拟计算机1根据导航星库以及追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，判断轨道沿途拍摄到的恒星，并根据相机成像模型计算轨道沿途拍摄到的恒星和空间目标在图像中的位置，以及模拟恒星和空间目标星光灰度等级和星体大小等，进而驱动液晶光阀3进行动态星图显示；
步骤3、星图采集模块4对液晶光阀3上显示的动态星图进行成像，并将图像传输给后端的星图识别和目标检测计算机6；星图识别和目标检测计算机6进行星体质心提取以及星图识别，并在星图识别的基础上进行目标检测，并将空间目标相对于追踪星的视线矢量通过局域网传输给仅测角相对导航计算机7；
步骤4、仅测角相对导航计算机7根据测得的空间目标相对于追踪星的视线矢量，结合航天器之间的相对动力学方程，通过卡尔曼滤波器推导出追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，并将相对轨道状态数据传输给实时监视显示计算机9；
步骤5、实时监视显示计算机9根据从局域网传输过来的仅测角相对导航计算机7求解出的相对轨道状态数据与轨道/姿态发生器11模拟的相对轨道状态数据进行比较，获得仅测角相对导航算法的相对定轨误差，进而完成对仅测角相对导航算法的性能评估。
为了促使星图采集模块4与液晶光阀3之间完成视场角和分辨率的匹配，且能够满足在不同参数的星图采集模块4下进行仅测角相对导航算法的动态测试，该半物理仿真***配备了三轴精密转台8和三轴直线导轨10等机械微调装置。三轴精密转台8的结构示意图见图4，三轴直线导轨10的结构示意图见图5。通过三轴精密转台8和三轴直线导轨10等机械微调装置，可以使得星图采集模块4与液晶光阀3同轴，并进一步完成视场角和分辨率的匹配。
仅测角相对导航高动态星图模拟***工作流程如图3所示：在一定视场范围，液晶光阀3的旋转角、天区中心的赤经赤纬和空间目标在星图采集模块4中的视线矢量已知的条件下，星光星图模拟计算机1从导航星库中找出将该视场范围内能够观测到的所有恒星的赤经赤纬，按一定比例计算出恒星与中心天区的相对位置关系，并以一定的星体大小和灰度等级在液晶光阀上显示恒星和空间目标的空间分布情况，并经过星光图像分配器将恒星和空间目标的空间分布情况发送给液晶光阀3，在一定的照明设备条件下，液晶光阀3再现恒星和空间目标的空间分布情况。此外，可以将液晶光阀3放置于平行光管的焦平面上，经过平行光管的星图就可以模拟无穷远处的恒星和空间目标的分布情况，力求星光星图模拟成像效果能更加接近真实的星空环境。
Claims (8)
1.一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：包括星光星图模拟计算机（1）、液晶光阀安装板（2）、液晶光阀（3）、星图采集模块（4）、星图采集模块安装板（5）、星图识别和目标检测计算机（6）、仅测角相对导航计算机（7）、三轴精密转台（8）、实时监视显示计算机（9）、三轴直线导轨（10）、轨道/姿态发生器（11）；星光星图模拟计算机（1）和轨道/姿态发生器（11）之间进行通信连接；星光星图模拟计算机（1）和液晶光阀（3）之间进行通信连接；液晶光阀（3）固连在液晶光阀安装板（2）上，液晶光阀安装板（2）固连在三轴直线导轨（10）上；星图采集模块（4）固连在星图采集模块安装板（5）上，星图采集模块安装板（5）固连在三轴精密转台（8）上，三轴精密转台（8）固连在三轴直线导轨（10）上；星图采集模块（4）和星图识别和目标检测计算机（6）之间进行通信连接；星图识别和目标检测计算机（6）和仅测角相对导航计算机（7）之间进行通信连接；仅测角相对导航计算机（7）和实时监视显示计算机（9）之间进行进行通信连接；实时监视显示计算机（9）和轨道/姿态发生器（11）之间进行通信连接。
2.根据权利要求1所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：三轴精密转台（8）和三轴直线导轨（10）使得星图采集模块（4）与液晶光阀（3）同轴，并进一步完成视场角和分辨率的匹配。
3.根据权利要求1所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：将液晶光阀（3）放置于平行光管的焦平面上，经过平行光管的星图能够模拟无穷远处的恒星和空间目标的分布情况，力求星光星图模拟成像效果能更加接近真实的星空环境。
4.根据权利要求1所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：星光星图模拟计算机（1）和轨道/姿态发生器（11）通过局域网进行通信连接，星图识别和目标检测计算机（6）和仅测角相对导航计算机（7）通过局域网进行通信连接；仅测角相对导航计算机（7）和实时监视显示计算机（9）通过局域网进行通信连接；实时监视显示计算机（9）和轨道/姿态发生器（11）通过局域网进行通信连接。
5.根据权利要求1所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：星光星图模拟计算机（1）和液晶光阀（3）通过VGA接口进行通信连接。
6.根据权利要求1所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真***，其特征在于：星图采集模块4和星图识别和目标检测计算机6通过USB3.0进行通信连接。
7.一种用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、通过设定追踪星和空间目标的轨道六根数，利用轨道/姿态发生器（11）的STK生成追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，所述追踪星和空间目标的轨道/姿态数据包括追踪星和空间目标在惯性系下的位置，以及追踪星和空间目标相对于惯性系的姿态，进而获得追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，提供空间和时间基准，并通过局域网将生成的追踪星和空间目标的轨道/姿态数据传输给星光星图模拟计算机（1）和实时监视显示计算机（9）；
步骤2、星光星图模拟计算机（1）根据导航星库以及追踪星和空间目标的轨道/姿态数据，判断轨道沿途拍摄到的恒星，并根据相机成像模型计算轨道沿途拍摄到的恒星和空间目标在图像中的位置，以及模拟恒星和空间目标星光灰度等级和星体大小，进而驱动液晶光阀（3）进行动态星图显示；
步骤3、星图采集模块（4）对液晶光阀（3）上显示的动态星图进行成像，并将图像传输给后端的星图识别和目标检测计算机（6）；星图识别和目标检测计算机（6）进行星体质心提取以及星图识别，并在星图识别的基础上进行目标检测，并将空间目标相对于追踪星的视线矢量通过局域网传输给仅测角相对导航计算机（7）；
步骤4、仅测角相对导航计算机（7）根据测得的空间目标相对于追踪星的视线矢量，结合航天器之间的相对动力学方程，通过卡尔曼滤波器推导出追踪星和空间目标的相对轨道状态数据，并将相对轨道状态数据传输给实时监视显示计算机（9）；
步骤5、实时监视显示计算机（9）根据从局域网传输过来的仅测角相对导航计算机（7）求解出的相对轨道状态数据与轨道/姿态发生器（11）模拟的相对轨道状态数据进行比较，获得仅测角相对导航算法的相对定轨误差，进而完成对仅测角相对导航算法的性能评估。
8.根据权利要求7所述的用于远距离仅测角相对导航的地面半物理仿真方法，其特征在于：在一定视场范围，液晶光阀（3）的旋转角、天区中心的赤经赤纬和空间目标在星图采集模块（4）中的视线矢量已知的条件下，星光星图模拟计算机（1）从导航星库中找出将该视场范围内能够观测到的所有恒星的赤经赤纬，按一定比例计算出恒星与中心天区的相对位置关系，并以一定的星体大小和灰度等级在液晶光阀上显示恒星和空间目标的空间分布情况，并经过星光图像分配器将恒星和空间目标的空间分布情况发送给液晶光阀（3），在一定的照明设备条件下，液晶光阀（3）再现恒星和空间目标的空间分布情况。
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| CN111947686B (zh) | 2024-04-09 |
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