[发明专利]基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航半物理仿真试验系统

权利要求书

1.基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航仿真试验系统，其特征在于包括：双圆锥红外地球敏感器、双弦宽地球模拟器、星敏感器、动态恒星模拟器、单轴转台、姿态轨道仿真器、导航计算机和控制计算机，其中：

双圆锥红外地球敏感器：安装在单轴转台上，双圆锥红外地球敏感器具有单一的光学扫描头部，利用反射镜结构得到两个红外通道，通过观测双弦宽地球模拟器获取扫入扫出两个地球弦宽的脉冲测量信号，并将所述测量信号送至导航计算机；

单轴转台：带动双圆锥红外地球敏感器转动，模拟星体的滚动姿态；

双弦宽地球模拟器：用于模拟两个地球弦宽，为双圆锥红外地球敏感器提供两路测量目标；

星敏感器：用于测量卫星惯性姿态，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，并将所述测量信号送至导航计算机；

动态恒星模拟器：用于模拟随卫星运行而变化的恒星星图；

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，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弦宽指令控制地球模拟器弦宽变化模拟卫星高度变化，生成姿态角指令控制单轴转台转动模拟卫星滚动角变化，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：根据双圆锥红外地球敏感器传来的地球脉冲测量信号、星敏感器传来的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。

2.根据权利要求1所述的基于双圆锥红外和星敏感器的自主导航仿真试验系统，其特征在于：所述控制计算机中根据卫星基准轨道姿态信息，生成地球模拟器的弦宽指令和惯性姿态四元数指令过程如下：

a.弦宽指令μ计算过程如下：

由卫星基准轨道信息(x，y，z)可求得卫星指向地心方向矢量在地心惯性坐标系中的表示

(r→)i=-xx2+y2+z2-yx2+y2+z2-zx2+y2+z2]]>

经坐标转换后求得地心方向矢量在双圆锥红外地球敏感器测量坐标系中的表示则地心方向与双圆锥红外地球敏感器自旋轴X轴的夹角η为

η=arccos(rxm)]]>

其中为向量的X分量。

设从卫星上看地球的视角为ρ，则有

ρ=arcsin(REr)]]>

其中R_E为地球半径。

设双圆锥红外地球敏感器扫描轴与自旋轴夹角为γ，双圆锥红外地球敏感器观测地球的弦宽为μ，则由球面三角形余弦公式得到：

cosρ=cosγcosη+sinγsinηcos(μ2)]]>

从而求得弦宽μ

μ=2*arccos(cosρ-cosγcosηsinγsinη)]]>

b.惯性姿态四元数指令q计算过程如下：

由卫星基准轨道信息可以得到地心惯性系到卫星轨道系的转换矩阵由卫星姿态信息可以得到卫星轨道系到卫星本体系的转换矩阵由星敏感器的安装方式可以得到卫星本体系到星敏感器测量系的转换矩阵从而计算得到惯性系到星敏感器测量系的转换矩阵最后从转换矩阵中提取惯性姿态四元数q，q₁、q₂、q₃、q₄为惯性姿态四元数q分量。则有

q4=12C11+C22+C33+1q1=14q4(C23-C32)q2=14q4(C31-C13)q3=14q4(C12-C21)]]>

式中C_ij表示矩阵的第i行第j列。