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一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法

文檔序號:37126961發布日期:2024-02-22 21:40閱讀:39來源:國知局
一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法

本發明屬于衛星姿態控制,具體涉及一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法。


背景技術:

1、姿態信息是航天器實現自主導航的基礎。星敏感器通常選擇天球球面坐標系作為慣性系,定姿精度往往可達角秒級。星敏感器的研制和調試優化已成為多種高級分布式空間系統任務的明確使能技術。

2、目前國內外星敏感器產品精度測試主要是通過仿真測試和外場觀星兩種方法來進行測試。外場觀測的方法受限于天氣地域等因素,等待時間較久,不利于長期進行試驗。半物理仿真技術能為星敏感器的研制試驗提供最優的手段,在不做任何實物飛行的條件下,可對星敏感器進行綜合測試。

3、現有的用于星敏感器姿態控制技術驗證的地面半物理仿真系統可分為靜態和動態兩種系統形態。靜態系統模擬場景單一,無法得到星敏感器的動態測試性能,動態系統能夠滿足對星敏感器進行動態測試的使用要求,但動態星模擬器需要實時更新星圖,對光學系統的安裝精度要求較高,成本大,標定周期長。

4、早期中國航天科工集團劉亞平在《紅外與激光工程》期刊中提出一種《星模擬器的設計與標定》方法,該方法通過更換不同組的中性衰減片對鹵素光源進行衰減擬達到對不同等級星的模擬,調節二維轉臺上的星光敏感器,使模擬的動態星光信號進入星敏感器,通過對比得出星敏感器的探測能力。該方法需要用到微孔光欄、大孔徑離軸反射式平行光管等光學設備,整體光學系統搭建較為復雜,標定周期長。

5、在2022年北京軒宇空間科技有限公司提出《基于fpga和pcie總線的電子星模擬器設計》,該方法中電子星模擬器圖像處理卡基于fpga的硬件結構,與上位機界面軟件通過pcie總線交互數據,地面動力學系統將四元數通過以太網發送給電子星模擬器,電子星模擬器將生成的電子星圖通過lvds傳輸給星敏感器,實時仿真驗證姿態精度。該方法的光學系統較為簡單,但是整體的硬件系統要求很高,fpga和pcie總線等通信的設計流程繁瑣,整體電路通信的調試周期長。


技術實現思路

1、為了解決上述問題,本發明的目的在于提供一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,解決現有的星敏感器姿態驗證方法模擬場景單一,光學系統設計難度大,操作流程繁瑣等技術問題。

2、為了達到上面概述的目的,本發明所采用的技術方案如下:一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,步驟如下:

3、步驟1、搭建星敏感器地面半物理仿真平臺:

4、所述星敏感器地面半物理仿真平臺包括精密三軸滑軌、電子星圖模擬器、光學平臺、準直透鏡、星敏感器、第一計算機、第二計算機、調整架、準直透鏡調整架、三軸轉臺、星敏感器調整架,共光軸依次設置電子星圖模擬器、準直透鏡和星敏感器,電子星圖模擬器裝配在調整架上,電子星圖模擬器調整架通過精密三軸滑軌設置在光學平臺上,準直透鏡通過準直透鏡調整架設置光學平臺上,星敏感器通過三軸轉臺裝配在星敏感器調整架,星敏感器調整架設置光學平臺上,星敏感器與第一計算機連接,電子星圖模擬器和第二計算機連接,調整架、準直透鏡調整架、星敏感器調整結構11均可在光學平臺移動位置。

5、通過精密三軸滑軌和電子星圖模擬器的調整架實現對電子星圖模擬器三軸位置的調整,通過角度微調結構10以及星敏感器調整結構11實現對星敏感器三軸位置和偏轉角的調整,使得星敏感器與電子星圖模擬器同軸且完成視場角和分辨率的匹配。

6、步驟2、根據同軸度以及準直透鏡的特性對電子星圖模擬器、準直透鏡和星敏感器進行位置初步調整,保證恒星光源平行光束的平行度優于5″。

7、步驟3、對第一計算機和第二計算機上電,通過第二計算機連接至電子星圖模擬器顯示出實時星圖,得到星圖中角距信息和對應姿態四元數;同時第一計算機驅動星敏感器,通過已經初步調節位置的準直透鏡,對電子星圖模擬器顯示出的實時星圖進行星圖采集,在第一計算機上觀察采集到的星圖與電子星圖模擬器顯示出的實時星圖是否一致,若完全一致,則說明滿足同軸度以及位置關系,若不一致,則繼續調整電子星圖模擬器、準直透鏡和星敏感器之間的位置,直至完全一致。

8、步驟4、對星敏感器采集到的星圖進行星點之間的角距計算,判斷計算得到的所有星點之間角距與第二計算機生成的星圖中角距信息是否滿足精度要求,若角距誤差小于15角秒,則將繼續進行姿態解算,星敏感器完成姿態四元數的解算,與第二計算機中得到的模擬姿態四元數再進行誤差分析,完成整個星敏感器的姿態算法的地面驗證。

9、本發明的技術特點還在于:

10、(1)配備精密三軸滑軌、準直透鏡微調結構、精密角度微調結構等機械微調裝置,可以調整電子星圖模擬器、準直透鏡和星敏感器的位置,保證同軸且恒星光源平行光束的平行度優于5″。

11、(2)所需的光學系統較為簡單,整個半物理仿真平臺的結構可設計性強,驗證方法流程較為簡單易于上手,能滿足多種視場分辨率的星敏感器的驗證,具有通用性。

12、(3)精確模擬觀測恒星幾何位置,單星的位置精度在15″以內;具有較好的星等模擬能力,能夠模擬2-6等觀測恒星,星等誤差小于±0.5星等。

13、(4)可以實時完成星圖的計算并可以對系統誤差進行校正,對星敏感器姿態精度驗證的結果可以實時觀測,具有很強的直觀性。

14、(5)整個系統放置在暗室中,且所有結構都熱黑處理不反光,可以消除雜散光的干擾,具有較高的性噪比和低的系統誤差。

15、(6)具有高頻率動態星圖更新能力,并且不產生多星和丟星的現象。

16、下面將對上面所描述的目的、特征和優點及本發明的工作原理參照附圖進行詳細的說明和解釋。



技術特征:

1.一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,其特征在于,步驟如下:

2.根據權利要求1所述的基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,其特征在于:步驟2中,根據同軸度以及準直透鏡(4)的特性對電子星圖模擬器(2)、準直透鏡(4)和星敏感器(5)進行位置初步調整,保證恒星光源平行光束的平行度優于5″。

3.根據權利要求1所述的基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,其特征在于:在一定的視場下,天區中心的赤經赤緯和觀測恒星在星敏感器(5)中的視線角已知的條件下,星光星圖模擬計算機(7)從導航星庫中找出將該視場范圍內能夠觀測到的所有恒星的赤經赤緯,按一定比例計算出恒星與中心天區的相對位置關系,并以一定的星體大小和灰度等級求出恒星在圖像中的分布情況;經過星光圖像分配器將恒星的空間分布情況發送給電子星圖模擬器(2),并在全黑密封環境中,電子星圖模擬器(2)再現恒星的分布情況;


技術總結
本發明公開了一種基于地面半物理仿真平臺的星敏感器姿態驗證方法,基于地面半物理仿真平臺對星敏感器的姿態算法進行精度驗證,該地面半物理仿真平臺由光學平臺、三軸滑軌、準直透鏡、動態星圖模擬計算機、電子星模擬器、星敏感器、以及實時監視顯示計算機。三軸滑軌用于調整電子星圖模擬器的位置;準直透鏡用于模擬無窮遠處的恒星和空間目標的分布情況;電子星模擬器用于實時顯示模擬的動態星圖并對其進行成像;實時監視顯示計算機用于將星敏感器采集的圖像和計算得到的姿態信息輸出顯示。該地面半物理仿真平臺可以模擬恒星遠距離動態的相對運動軌跡,整個驗證流程操作簡單,可靠性高,非常適合對星敏感器姿態算法進行地面半物理仿真驗證。

技術研發人員:廖文和,肖勇,卓長飛,張翔
受保護的技術使用者:南京理工大學
技術研發日:
技術公布日:2024/2/21
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