高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法及系统，该方法利用电机驱动转轮方式，构建目标模拟源与导航系统间相对运动状态，为待测导航仪系统提供测试用例输入，通过待测导航仪测试平台完成谱图成像及定标，结合地面接收及控制终端完成谱图拾取及信息解算，实现导航仪功能及性能的地面测试验证。本发明专利技术还提供相应的地面测试验证系统；本发明专利技术原理简单，直观可靠，是航天器光谱测速导航仪地面测试验证的新方法和新思路。本发明专利技术针对当前光谱测速导航仪地面测试验证系统缺失的现状，提出以可控相对运动模拟装置实施高精度光谱导航仪测试的方法，该方法可有效利用于光波多普勒效应自主导航的深空及近地航天任务，填补了相应的技术空白。

【技术实现步骤摘要】
高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法及系统
本专利技术涉及航空领域，具体地，涉及一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法及系统。
技术介绍
对于绝大多数航天器，尤其是深空任务航天器，其在轨飞行过程中的自主导航能力是航天器能否在不依赖地面支持的情况下长期在轨运行的重要指标之一。从天文自主导航方式方法上，目前主要有天文测角导航及脉冲星导航等，前者精度受制于所摄取目标源天体图像的像质，后者则受制于脉冲信号积分计时的精度。本文所提出的基于多普勒效应的天文光谱测速导航方法，在测量原理及测量对象上与上述两种方法存在较大的不同，是新的一种航天器自主导航仪设计方法，可兼顾导航长期连续自主、实时高精度的需求。为了验证导航仪方案设计的正确性，需要开展仪器的地面测试验证。由于基于多普勒效应的天文光谱测速导航方法的新颖性，其相应的地面测试验证方法尚未查见。以工程应用为出发点，航天器自主导航测速精度的要求应达到米级以上。以该指标为设计输入开展导航仪系统设计，其地面测试验证系统也应具备相应的精度检测手段，目前尚需提出针对该种导航方式的地面测试验证方案。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法及系统，本专利技术利用可控相对运动模拟装置进行高精度光谱导航仪精度测试，该方法适用于利用光波多普勒效应实施自主导航任务的深空及近地航天器。根据本专利技术的一个方面，提供一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法，包括以下步骤：步骤1：根据测量要求，为描述测试设备间相对位置关系，建立光谱测速导航仪地面测试参考坐标系oxyz；步骤2：在步骤1基础上，按照相对位置关系搭建相对运动模拟装置及待测导航仪测试平台，建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，测定包括角度信息在内的试验系统各组件间位置关系；步骤3：根据步骤2建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，通过相对运动模拟装置、平行光模拟系统和望远系统地面终端对光路进行调整，保证目标模拟源入射光信号可有效入射至导航仪系统内，调整各地面接收控制终端至待测状态，完成系统初始化设置；步骤4：在步骤2、3基础上，根据光波多普勒频移关系制定目标模拟源与导航仪系统间含角度信息的相对运动速度与波长漂移量间测试用例表；步骤5：在步骤4基础上，根据测试用例表操作相对运动模拟装置：开启目标模拟源并观测其谱线稳定性，通过相对运动模拟器控制终端设置轮系转速并开启模拟系统，通过导航仪地面控制终端开启导航仪系统，并开启谱图接收及快视系统接收并记录目标源谱图；步骤6：在步骤5基础上，更换测试用例表参数，完成不同相对运动状态下测试内容，记录谱线数据；步骤7：重置相对运动模拟器，设置为停转状态，更换目标模拟器为碘吸收等定标光源，操作导航仪系统记录定标谱；步骤8：在步骤5、6、7基础上，以选定的参考波长为对象，采用高斯廓线拟合与定标谱结合的方式，对目标模拟源谱线中心波长进行拾取，按照多普勒频移关系解算获取相对运动速度信息，并与相对运动模拟装置初始值进行比对，获得试验的有效性结论。优选地，步骤1中建立的光谱测速导航仪地面测试参考坐标系oxyz中，原点为平台上表面靠近相对运动模拟装置一边角，x轴指向垂直于相对运动模拟装置一边(垂直纸面向外)，y轴由气浮试验平台指向模拟装置一边，z轴满足右手系。根据本专利技术的另一个方面，提供一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，包括：相对运动模拟装置、待测导航仪测试平台、导航仪系统地测终端、望远系统地测终端和谱图接收与快视系统，相对运动模拟装置包括相互连接的相对运动模拟器控制终端和相对运动模拟器，待测导航仪测试平台与相对运动模拟器相邻设置，待测导航仪测试平台进一步包括：导航仪系统、望远系统、平行光模拟系统、传导光纤和气浮试验平台，平行光模拟系统设置在气浮试验平台上靠近相对运动模拟装置一侧，导航仪系统设置在气浮试验平台上与平行光模拟系统相对的另一侧，望远系统设置在导航仪系统和平行光模拟系统之间，且望远系统通过传导光纤与导航仪系统连接，望远系统地测终端与望远系统连接，导航仪系统地测终端和谱图接收与快视系统均与导航仪系统连接。相对运动模拟装置是导航仪实现动态测速的基础和输入，由相对运动模拟器与其控制终端组成，其目的是通过建立的目标模拟器与导航仪系统间的相对运动状态，以测试光波段多普勒频移测速的功能及性能指标。a)相对运动模拟器控制终端，对相对运动模拟器转动系统开关、极性、转速实施控制的地面设备。b)相对运动模拟器，相对运动执行部件，运转时可模拟目标源与导航仪系统的相对运动(接近或远离、不同运动速度等)，包括主动轮、从动轮及传送带，传动带分别与主动轮和从动轮连接，电机驱动主动轮，并以传送带连接从动轮，上置目标模拟源或定标源等载荷。待测导航仪测试平台，光谱测速导航仪地面测试验证主体和对象，实现目标源信号的采集、控制、传输、分光及成像处理。a)导航仪系统，测速导航系统的组成部分，完成对入射光信号的分光、成像及记录。b)望远系统，测速导航系统的组成部分，完成系统对光信号的收集和传输。c)平行光模拟系统，模拟在轨入射光状态，需要将目标模拟源(点光源)入射光采集并整理为平行光，再传送至望远系统。d)传导光纤，测速导航系统的组成部分，完成光信号的耦合传播，连接望远系统及导航仪系统。e)气浮试验平台，测试验证试验系统的搭建主体，为试验提供水平、隔振等试验条件。导航仪系统地测终端，负责对导航仪系统实施控制，完成开关、状态设置、信息采集等功能。望远系统地测终端，负责对望远系统实施控制，完成驱动开关、指向调节等功能。谱图接收与快视系统，负责接收、记录并显示导航仪系统谱图信息，完成谱图信息的实时快视，并与后端信息处理系统对接。本专利技术通过搭建可控相对运动模拟装置，结合光源谱段的可选性及相对运动模拟装置与待测导航仪间相对位置关系，通过平行光模拟、望远系统接收、光纤传导、光路准直、色散分光、谱图接收等环节实现导航仪测速精度测试。本方法还可验证导航仪对具备一定动态范围运动状态目标的响应情况。本专利技术的高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法，不同于测角及脉冲星导航仪地面测试验证。根据光波多普勒频移效应，通过搭建可控相对运动模拟系统，并结合导航仪测试平台进行精度测试。针对不同测试工况，可完成导航仪在不同相对运动速度、不同光谱范围情况下的测试。本专利技术原理简单，直观可靠，是航天器光谱导航仪地面测试方法的新突破，拓展了航天器光谱导航仪测试手段，提高了测试能动性，可广泛应用于我国深空探测光谱测速导航仪的研制和试验任务，在深空探测领域具有广阔的应用前景。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：满对将多普勒效应作为理论出发点，以天体光谱为观测对象的测速导航系统，本专利技术提出了以相对运动模拟装置为核心输入，包括待测导航仪测试平台及相应配套地面测试设备的测试方案，为天文光谱自主导航仪的功能及性能测试提供了支撑，填补了面向该导航方案的测试方案技术空白。附图说明以下将结合附图和实例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统的结构原理图。图中：1为相对运动模拟器控制终端；2为主动轮；3为从动轮；4为目标模拟源；5为望远系统地测终端；6为导航仪系统地测终端；7为谱图接收与快视系统；8为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据测量要求，为描述测试设备间相对位置关系，建立光谱测速导航仪地面测试参考坐标系oxyz；步骤2：在步骤1基础上，按照相对位置关系搭建相对运动模拟装置及待测导航仪测试平台，建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，测定包括角度信息在内的试验系统各组件间位置关系；步骤3：根据步骤2建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，通过相对运动模拟装置、平行光模拟系统和望远系统地面终端对光路进行调整，保证目标模拟源入射光信号可有效入射至导航仪系统内，调整各地面接收控制终端至待测状态，完成系统初始化设置；步骤4：在步骤2、3基础上，根据光波多普勒频移关系制定目标模拟源与导航仪系统间含角度信息的相对运动速度与波长漂移量间测试用例表；步骤5：在步骤4基础上，根据测试用例表操作相对运动模拟装置：开启目标模拟源并观测其谱线稳定性，通过相对运动模拟器控制终端设置轮系转速并开启模拟系统，通过导航仪地面控制终端开启导航仪系统，并开启谱图接收及快视系统接收并记录目标源谱图；步骤6：在步骤5基础上，更换测试用例表参数，完成不同相对运动状态下测试内容，记录谱线数据；步骤7：重置相对运动模拟器，设置为停转状态，更换目标模拟器为碘吸收等定标光源，操作导航仪系统记录定标谱；步骤8：在步骤5、6、7基础上，以选定的参考波长为对象，采用高斯廓线拟合与定标谱结合的方式，对目标模拟源谱线中心波长进行拾取，按照多普勒频移关系解算获取相对运动速度信息，并与相对运动模拟装置初始值进行比对，获得试验的有效性结论。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度光谱测速导航仪地面测试验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据测量要求，为描述测试设备间相对位置关系，建立光谱测速导航仪地面测试参考坐标系oxyz；步骤2：在步骤1基础上，按照相对位置关系搭建相对运动模拟装置及待测导航仪测试平台，建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，测定包括角度信息在内的试验系统各组件间位置关系；步骤3：根据步骤2建立的高精度光谱测速导航仪地面测试验证系统，通过相对运动模拟装置、平行光模拟系统和望远系统地面终端对光路进行调整，保证目标模拟源入射光信号可有效入射至导航仪系统内，调整各地面接收控制终端至待测状态，完成系统初始化设置；步骤4：在步骤2、3基础上，根据光波多普勒频移关系制定目标模拟源与导航仪系统间含角度信息的相对运动速度与波长漂移量间测试用例表；步骤5：在步骤4基础上，根据测试用例表操作相对运动模拟装置：开启目标模拟源并观测其谱线稳定性，通过相对运动模拟器控制终端设置轮系转速并开启模拟系统，通过导航仪地面控制终端开启导航仪系统，并开启谱图接收及快视系统接收并记录目标源谱图；步骤6：在步骤5基础上，更换测试用例表参数，完成不同相对运动状态下测试内容，记录谱线数据；步骤7：重置相对运动模拟器，设置为停转状态，更换目标模拟器为碘吸收定标光源，操作导航仪系统记录定标谱；步骤8：在步骤5、6、7基础上，以选定的参考波长为对象，采用高斯廓线拟合与定标谱结合的方式，对目标模拟源谱线中心波长进行拾取，按照多普勒频移关系解算获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵬，张伟，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31