李嘉兴,王大轶,鄂薇,葛东明

北京空间飞行器总体设计部,北京 100094

高超声速飞行器近些年来的发展方向是射程更远、精度更高[1],这无疑需要更高精度的导航能力。考虑到这种军事意义十分明显的飞行器要做到自主导航的迫切需求,探索适合于高超声速飞行器的自主导航技术成为了目前中国对该领域攻关研究的主要方向之一。天文导航是一种可靠的自主导航方法,在航天领域有很成熟的应用经验,将其与惯性敏感器进行组合导航可以达到长期稳定且高精度的导航效果。要将天文导航应用于高超声速飞行器仍处于研究阶段,主要受到了气动光学效应的影响。因为在飞行器高速飞行过程中,星敏感器窗口的大气被加热,流场发生巨大改变,产生激波、附面层等复杂流场,光线通过湍流后发生偏折,致使星图产生偏移、抖动和模糊等负面效果[1],严重降低导航能力。为了抑制气动光学效应,需要首先模拟在高超湍流成像条件下的天文导航图像,在此基础上研究图像复原算法。

目前针对气动光学效应的研究方法主要包括数值模拟和实验测量2种方法。数值模拟方法是利用几何光学、物理光学、统计光学等物理模型,在计算机中模拟光线穿过高速流场后的畸变波前,进而模拟出成像时的点扩散函数。现有的湍流数值模拟方法包括直接模拟法、大涡模拟法和雷诺平均法。直接模拟法能获得瞬态湍流但计算量巨大；雷诺平均法计算量小但无法模拟出瞬态湍流对光线的影响效果；……