[发明专利]基于紫外敏感器的自主导航半物理仿真试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种自主导航仿真试验系统，特别是一种基于紫外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。

基于紫外敏感器进行自主导航是一种典型的天文导航方法。地球具有稳定的紫外辐射带，白天表现为瑞利散射(切线高度为55Km)，夜间为紫外夜气辉(高度为91Km)，两者能量差异为8000倍，选择高性能CCD，可以实现对地球大气紫外边缘的探测，从而确定地心矢量。另外，根据地球视半径可以得到地心距离。具有太阳类型或者更热的4.5等以下的恒星至少400多颗，根据视场大小，绝大多数时刻可探测的数目不少于5颗，因此形成了近天体敏感器和星敏感器类型的导航敏感器。

专利号为CN101236092，专利名为“紫外导航敏感器”介绍了紫外敏感器的工作原理，紫外敏感器一体化设计，采用两个独立视场通道分别对地球、恒星进行成像，通过计算得到卫星导航需要的地心矢量、轨道高度与惯性姿态。

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。国内对基于紫外敏感器的卫星的自主导航技术进行了很多研究，如魏春岭、李勇、陈义庆在2004年6月第3期第22卷航天控制上发表的“基于紫外敏感器的航天器自主导航”一文，介绍了基于地球紫外信息进行自主导航的相关算法，但是其中并未涉及相应的地面试验验证系统的内容。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于紫外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敏感器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：基于紫外敏感器的自主导航仿真试验系统，包括：紫外敏感器、紫外地球模拟器、动态恒星模拟器、姿态轨道仿真器、控制计算机和导航计算机，其中：

紫外敏感器：包括一个中心视场的紫外通道和一个环形视场的可见光通道，环形视场通过观测紫外地球模拟器获取滚动角和俯仰角测量信号，中心视场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，所述的测量信号送至导航计算机；

紫外地球模拟器：用于模拟地球圆盘，为紫外敏感器环形视场提供测量目标；

动态恒星模拟器：用于模拟随卫星运行而变化的恒星星图，为紫外敏感器中心视场提供测量目标；

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，将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地球圆盘大小指令控制紫外地球模拟器圆盘大小变化来模拟卫星高度变化，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：根据紫外敏感器传来的滚动角、俯仰角和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)本发明将紫外敏感器、紫外地球模拟器、动态恒星模拟器引入试验回路，利用紫外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，紫外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的紫外地球模拟器、动态恒星模拟器同时为紫外敏感器的两路通道提供测量目标，可以更好地对紫外敏感器进行测量标定；

(4)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，利用紫外地球模拟器的圆盘大小变化来模拟卫星高度变化，简单方便；

(5)本发明控制计算机控制方法简单方便，易于实现。

附图说明

图1为本发明仿真试验系统的组成原理框图；

图2为本发明仿真试验系统的试验结果图。