組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，設(shè)及一種組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地 面半物理仿真平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 深空探測(cè)飛行由于距離遠(yuǎn)、背景環(huán)境復(fù)雜、飛行程序復(fù)雜、器地通信時(shí)延大等原 因，要求飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航，因此自主導(dǎo)航能力對(duì)任務(wù)的完成至關(guān)重要。在導(dǎo)航方法 和理論的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估和驗(yàn)證是一個(gè)非常重要的環(huán) 節(jié)。而真實(shí)飛行器平臺(tái)建造時(shí)間長(zhǎng)，成本高，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了對(duì)組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行 檢測(cè)評(píng)估，因此必須進(jìn)行模擬測(cè)試。
[0003] 目前的模擬測(cè)試的方法分為軟件模擬和半物理模擬。軟件模擬中的飛行器參數(shù)和 深空環(huán)境參數(shù)都是人為設(shè)置的，對(duì)實(shí)際情況的模擬具有較大局限性。半物理模擬能夠利用 各器件的真實(shí)誤差特性進(jìn)行仿真，較純粹的軟件模擬能夠更加貼近實(shí)際情況，得到更加精 確的仿真結(jié)果。但是目前的半物理模擬方法大多是采用若干個(gè)計(jì)算機(jī)對(duì)組合自主導(dǎo)航系統(tǒng) 的各個(gè)模塊進(jìn)行軟件模擬，仿真模擬程度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物 理仿真平臺(tái)，提高對(duì)深空探測(cè)飛行環(huán)境的模擬精度，從而提高對(duì)組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)定位、定 速能力的評(píng)估準(zhǔn)確度。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)，包括：模 擬天體、軌道、巡跡小車和上位機(jī)，其中；
[0006] 模擬天體的數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，至少為兩個(gè)，模擬天體在平面場(chǎng)地內(nèi)固定放 置，其位置要求為：巡跡小車在沿軌道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終至少有兩個(gè)模擬天體位于巡跡小車 上搭載的攝像頭導(dǎo)航模塊的視場(chǎng)內(nèi)；模擬天體之間根據(jù)顏色或形狀區(qū)分，每個(gè)模擬天體上 設(shè)置有多普勒波源模塊，多普勒波源的頻率根據(jù)從上位機(jī)接收的波源參數(shù)設(shè)置信號(hào)進(jìn)行 設(shè)置；
[0007] 軌道鋪設(shè)在平面場(chǎng)地內(nèi)，其軌跡根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置；
[0008] 巡跡小車上搭載有多普勒導(dǎo)航模塊、攝像頭導(dǎo)航模塊、巡跡控制模塊、處理器模塊 和通信模塊，其中：
[0009] 多普勒導(dǎo)航模塊在巡跡小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接收模擬天體波源所發(fā)出的信號(hào)，根據(jù)多 普勒效應(yīng)計(jì)算巡跡小車相對(duì)于各個(gè)模擬天體的速度，發(fā)送給處理器模塊；
[0010] 攝像頭導(dǎo)航模塊的視線方向與巡跡小車的運(yùn)動(dòng)方向相同，在巡跡小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中持續(xù)拍攝模擬天體的圖像，對(duì)圖像中的模擬天體進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)模擬天體圖像在圖像中 的位置，計(jì)算巡跡小車當(dāng)前在平面場(chǎng)地中的與模擬天體位置的幾何角度，發(fā)送給處理器模 塊；
[0011] 巡跡控制模塊對(duì)軌道進(jìn)行路徑識(shí)別，控制巡跡小車的速度和運(yùn)動(dòng)方向，使巡跡小 車按照預(yù)設(shè)速度沿軌道行駛；
[0012] 處理器模塊接收多普勒導(dǎo)航模塊發(fā)送的速度信息和攝像頭導(dǎo)航模塊發(fā)送的角度 信息，根據(jù)存儲(chǔ)的模擬天體在平面場(chǎng)地中的坐標(biāo)，調(diào)用組合自主導(dǎo)航算法計(jì)算巡跡小車的 坐標(biāo)，并將速度信息、角度信息和坐標(biāo)信息一起發(fā)送給通信模塊；
[0013] 通信模塊接收處理器模塊發(fā)送的巡跡小車的速度信息、角度信息和坐標(biāo)信息，上 傳至上位機(jī)；
[0014] 上位機(jī)接收設(shè)置的波源頻率信息，生成波源參數(shù)設(shè)置信號(hào)發(fā)送給模塊天體上的多 普勒波源模塊；接收巡跡小車的速度信息、角度信息和坐標(biāo)信息進(jìn)行顯示，并根據(jù)坐標(biāo)信息 擬合得到巡跡小車的軌跡，通過(guò)對(duì)比該軌跡與軌道的實(shí)際軌跡的相似度，判斷得到組合自 主導(dǎo)航算法的性能。
[0015] 本發(fā)明組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)，在平面場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置模擬天體和 軌道，模塊天體上設(shè)置有多普勒波源，巡跡小車模擬飛行器W預(yù)設(shè)速度沿軌道運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中由巡跡小車上搭載的多普勒導(dǎo)航模塊和攝像頭導(dǎo)航模塊分別模擬紅移測(cè)速導(dǎo)航系 統(tǒng)和天文測(cè)角導(dǎo)航系統(tǒng)，得到巡跡小車的速度和與模擬天體的角度，再由巡跡小車上的處 理器模塊計(jì)算得到巡跡小車的坐標(biāo)并上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)坐標(biāo)信息擬合得到巡跡小 車的軌跡，再與軌道的實(shí)際軌跡進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)該軌跡與軌道的實(shí)際軌跡的相似度來(lái)判斷 得到組合自主導(dǎo)航算法的性能。本發(fā)明通過(guò)巡跡小車的運(yùn)動(dòng)模擬了飛行器的飛行過(guò)程，相 對(duì)于現(xiàn)有的軟件模擬和W計(jì)算機(jī)為主的半物理模擬，其仿真程度更高，提高了對(duì)深空探測(cè) 飛行環(huán)境的模擬精度，從而提高對(duì)組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)定位、定速能力的評(píng)估準(zhǔn)確度。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2是巡跡小車的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是巡跡小車與模擬天體角度計(jì)算的原理示意圖；
[0019] 圖4是攝像頭導(dǎo)航模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5是巡跡控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖6是組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)的示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，W便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在W下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，該些描述在該里將被忽略。
[0023] 實(shí)施例
[0024] 圖1是組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本 發(fā)明組合自主導(dǎo)航系統(tǒng)的地面半物理仿真平臺(tái)包括模擬天體1、軌道2、巡跡小車3、和上位 機(jī)4。
[0025] 模擬天體1的數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，至少為兩個(gè)，模擬天體1在平面場(chǎng)地內(nèi)固定 放置，其位置要求為：巡跡小車3在沿軌道2運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終至少有兩個(gè)模擬天體位于巡 跡小車3上搭載的攝像頭導(dǎo)航模塊32的視場(chǎng)內(nèi)。模擬天體之間根據(jù)顏色或形狀區(qū)分，每個(gè) 模擬天體上設(shè)置有多普勒波源，多普勒波源的頻率和功率根據(jù)從上位機(jī)接收的波源參數(shù)設(shè) 置信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。
[0026] 多普勒波源和巡跡小車3上搭載的多普勒導(dǎo)航模塊31配合，根據(jù)波的多普勒效應(yīng) 來(lái)計(jì)算巡跡小車3與模擬天體1之間的相對(duì)速度。在常用的波源中，電磁波W光速傳播，傳 播速度快，由于巡跡小車3的移動(dòng)速度與光速差異大，直接采用電磁波進(jìn)行多普勒效應(yīng)會(huì) 引入較大測(cè)量誤差。因此在本實(shí)施例中，將電磁波替換為超聲波，由于超聲波速度較低，頻 率較高，W超聲波代替電磁波的多普勒效應(yīng)更為顯著。
[0027] 軌道2鋪設(shè)在平面場(chǎng)地內(nèi)，其軌跡根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。軌道2的材質(zhì)根據(jù)所采用 的巡跡方法設(shè)置。例如采用電磁巡線方式，那么軌道2為電線，如果采用光電或攝像頭的巡 線方式，則將軌道2涂成黑色或貼上黑色的膠布即可。
[002引圖2是巡跡小車的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，巡跡小車3上搭載有多普勒導(dǎo)航模 塊31、攝像頭導(dǎo)航模塊32、巡跡控制模塊33、處理器模塊34和通信模塊35。
[0029] 多普勒導(dǎo)航模塊31用于模擬紅移測(cè)速導(dǎo)航系統(tǒng)，它在巡跡小車3運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接收 模擬天體1波源所發(fā)出的信號(hào)，根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算巡跡小車3相對(duì)于模擬天體1的速度， 發(fā)送給處理器模塊34。
[0030] 攝像頭導(dǎo)航模塊32用于模擬天文測(cè)角導(dǎo)航系統(tǒng)，其視線方向應(yīng)當(dāng)與巡跡小車的 運(yùn)動(dòng)方向相同。攝像頭導(dǎo)航模塊32在巡跡小車3運(yùn)動(dòng)過(guò)程中持續(xù)拍攝模擬天體1的圖像， 對(duì)圖像中的模擬天體1進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)模擬天體圖像在圖像中的位置，計(jì)算巡跡小車3當(dāng)前 在平面場(chǎng)地中與模擬天體1位置的幾何角度，一般來(lái)說(shuō)就是巡跡小車3與模擬天體1中兩 個(gè)模擬天體之間的夾角，發(fā)送給處理器模塊34。
[0031] 圖3是巡跡小車與模擬天體角度計(jì)算的原理示意圖。如圖3所示，攝像頭導(dǎo)航模 塊32的視線方向始終垂直于所拍攝圖像，并且位于所拍攝圖像的中心從圖像中可W知道 模擬天體1在圖像上與圖像中線的距離li和12。由于攝像頭導(dǎo)航模塊32的視角r和圖像 的寬度L是已知的，因此就