本发明专利技术公开了一种基于空间激光通信端机的自主导航系统及其自主导航方法。本发明专利技术在传统的空间激光通信端机的基础上，增加了星体捕获系统，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。本发明专利技术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系统的整体性能；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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器自主导航技术，尤其涉及一种。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种，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。 本专利技术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系统。 本专利技术的基于空间激光通信端机的自主导航系统包括: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、星体捕获系统、控制系统和航天器平台接口 ；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系统，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系统分别与控制系统相连接；控制系统与航天器平台接口相连接；星体捕获系统捕获并识别恒星，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。 本专利技术的自主导航系统具有两种工作模式，一种是导航模式，一种是空间激光通信模式。当自主导航系统处于导航模式时，粗瞄机械指向装置在控制系统的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获系统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系统中；星体捕获系统对恒星进行识别；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。 星体捕获系统包括聚焦光路、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，进入到星体捕获系统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，计算系统所在的位置，即导航信息。星体捕获系统可与控制系统进行数据交换。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系统同发射接收标定装置分开。当系统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、(XD相机或CMOS相机来实现。 控制系统对整个发射接收标定装置的各个分系统或各个功能系统进行协调和控制，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。 本专利技术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系统的自主导航方法。 本专利技术的基于空间激光通信端机的自主导航系统的自主导航方法，包括以下步骤: 1)自主导航系统处于导航模式，粗瞄机械指向装置在控制系统的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获系统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系统中； 3)星体捕获系统对恒星进行识别，然后获得恒星的方位信息； 4)控制系统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，再由星体捕获系统获得行星或其卫星的中心方位信息； 5)星体捕获系统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，即导航信肩、Ο 其中，在步骤3)中，进入到星体捕获系统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，本专利技术在传统的空间激光通信端机的基础上，增加了星体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于空间激光通信端机的自主导航系统的自主导航方法，其特征在于，所述自主导航方法包括以下步骤：1)自主导航系统处于导航模式，粗瞄机械指向装置在控制系统的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获系统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系统中；3)星体捕获系统对恒星进行识别，然后获得恒星的方位信息；4)控制系统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，再由星体捕获系统获得行星或其卫星的中心方位信息；5)星体捕获系统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。
【技术特征摘要】
1.一种基于空间激光通信端机的自主导航系统的自主导航方法，其特征在于，所述自主导航方法包括以下步骤: 1)自主导航系统处于导航模式，粗瞄机械指向装置在控制系统的控制下，将光学望远镜对准空间的某一方向，星体捕获系统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系统中； 3)星体捕获系统对恒星进行识别，然后获得恒星的方位信息； 4)控制系统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，再由星体捕获系统获得行星或其卫星的中心方位信息； 5)星体捕获系统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。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，进入到星体捕获系统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系统，其特征在于，所述自主导航系统包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建民，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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