專利名稱：深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主gnc半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于深空探測(cè)小天體附著過(guò)程自主GNC半物理仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小天體探測(cè)是深空探測(cè)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，小天體探測(cè)是指通過(guò)發(fā)射航天器攜帶各類科學(xué)探測(cè)儀器近距離飛越、繞軌道運(yùn)行、撞擊、附著著陸小天體等方式對(duì)小天體進(jìn)行觀測(cè)研究，獲取小天體形狀、大小、質(zhì)量、質(zhì)量分布、重力、磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)率、化學(xué)成分和主要礦物分布特性等信息。小天體探測(cè)是人類探索太陽(yáng)系起源及演化過(guò)程，研究近地小天體撞擊地球的潛在危險(xiǎn)的重要手段。附著小天體是指航天器在導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下，通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)的減速和姿態(tài)控制系統(tǒng)的調(diào)整，讓航天器以一定相對(duì)速度和姿態(tài)在預(yù)計(jì)的著陸區(qū)域接觸小天體。小天體航天器附著自主GNC技術(shù)主要考慮小天體的弱引力、大溫差、形狀不規(guī)則和表層土壤不明確的特點(diǎn)。開(kāi)展小天體附著自主導(dǎo)航和控制關(guān)鍵技術(shù)的研究，并進(jìn)行可行的地面物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，是我國(guó)未來(lái)實(shí)施小天體探測(cè)工程乃至深空探測(cè)計(jì)劃的迫切需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)附著小天體形狀和表層地貌特性以及小天體弱引力的模擬，提高了深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面半物理仿真驗(yàn)證的真實(shí)性和可靠性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括平臺(tái)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊、弱引力模擬器、氣浮臺(tái)、光纖陀螺、小天體地形模擬器、光學(xué)相機(jī)、激光測(cè)距儀和仿真總控模塊；光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀安裝在氣浮臺(tái)上；光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小天體地形模擬器的光學(xué)成像，激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)航天器相對(duì)小天體的距離測(cè)量，弱引力模擬器實(shí)現(xiàn)小天體對(duì)航天器的弱引力模擬，小天體地形模擬器實(shí)現(xiàn)小天體的地形地貌特征模擬，平臺(tái)是氣浮臺(tái)模擬航天器軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的水平運(yùn)動(dòng)基面，氣浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器質(zhì)量特性的模擬；小天體地形模擬器固定于平臺(tái)上；仿真總控模塊發(fā)送弱引力模擬指令給弱引力模擬器，弱引力模擬器收到指令后驅(qū)動(dòng)弱引力模擬器中的超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)小天體弱引力模擬，仿真總控模塊同時(shí)還發(fā)送指令給導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊接收到指令后控制光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀工作，光纖陀螺提供氣浮臺(tái)姿態(tài)信息，光學(xué)相機(jī)提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)姿態(tài)信息，激光測(cè)距儀提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)位置信息；導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律，之后再根據(jù)所述氣浮臺(tái)導(dǎo)引律生成相應(yīng)的控制律用于驅(qū)動(dòng)氣浮臺(tái)在平臺(tái)上移動(dòng)接近附著點(diǎn)，并將氣浮臺(tái)的位置信息和姿態(tài)信息的提供給仿真總控模塊。所述導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律時(shí)采用比例導(dǎo)引律算法實(shí)現(xiàn)。所述平臺(tái)的每平米承載能力大于5t。所述平臺(tái)采用花崗石平臺(tái)。所述平臺(tái)每平方米的傾角小于2角秒。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(I)本發(fā)明提出深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的一種自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具有小天體模擬效果真實(shí)、實(shí)時(shí)性好、試驗(yàn)可操作性強(qiáng)，能夠同時(shí)模擬小天體地形地貌特征、小天體弱引力，實(shí)現(xiàn)小天體自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。(2)本發(fā)明采用氣浮臺(tái)模擬小天體航天器的質(zhì)量特性、引入真實(shí)的敏感器、弱引力模擬器到試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)于小天體航天器的真實(shí)工況充分的模擬。具備小天體自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)精度驗(yàn)證功能。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)架構(gòu)示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明提供了深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC(導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制)半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小天體航天器質(zhì)量特性、小天體地形地貌特征和小天體弱引力的真實(shí)模擬。如圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)組成，主要有以下模塊組成平臺(tái)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊、弱引力模擬器、氣浮臺(tái)、光纖陀螺、小天體地形模擬器、光學(xué)相機(jī)、激光測(cè)距儀和仿真總控模塊；光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀安裝在氣浮臺(tái)上。平臺(tái)的每平米承載能力大于5t，每平方米的傾角小于2角秒，本發(fā)明采用花崗石制作臺(tái)面，可以達(dá)到上述要求。光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小天體地形模擬器的光學(xué)成像，激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)航天器相對(duì)小天體的距離測(cè)量，弱引力模擬器實(shí)現(xiàn)小天體對(duì)航天器的弱引力模擬，小天體地形模擬器實(shí)現(xiàn)小天體的地形地貌特征模擬，平臺(tái)是氣浮臺(tái)模擬航天器軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的水平運(yùn)動(dòng)基面，氣浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器質(zhì)量特性的模擬；小天體地形模擬器固定于平臺(tái)上；仿真總控模塊發(fā)送弱引力模擬指令給弱引力模擬器，弱引力模擬器收到指令后驅(qū)動(dòng)弱引力模擬器中的超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)小天體弱引力模擬，仿真總控模塊同時(shí)還發(fā)送指令給導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊接收到指令后控制光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀工作，光纖陀螺提供氣浮臺(tái)姿態(tài)信息，光學(xué)相機(jī)提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)姿態(tài)信息，激光測(cè)距儀提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)位置信息；導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律，之后再根據(jù)所述氣浮臺(tái)導(dǎo)引律生成相應(yīng)的控制律用于驅(qū)動(dòng)氣浮臺(tái)在平臺(tái)上移動(dòng)接近附著點(diǎn)，并將氣浮臺(tái)的位置信息和姿態(tài)信息的提供給仿真總控模塊。導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律時(shí)采用比例導(dǎo)引律算法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中弱引力模擬器主要是由兩個(gè)超導(dǎo)線圈正交裝配組成，安裝在氣浮臺(tái)上，模擬小天體的弱引力。其電流達(dá)到80A，在O-1Om范圍內(nèi)產(chǎn)生0. 5N-3N的力，功率400W，采用液氮冷凝技術(shù)工作溫度為70K。本發(fā)明中的花崗石平臺(tái)由0.33m厚，面積為(2.2X1.6)平方米的“濟(jì)南青”花崗石100塊拼接而成?；◢徥脚_(tái)基面每平米承載能力大于5t ;整個(gè)花崗石平臺(tái)必須安裝在實(shí)驗(yàn)室整體防震地基上，地基達(dá)到5X 10_4g的防震要求。平臺(tái)每平方米的傾角小于2角秒。本發(fā)明中的氣浮臺(tái)，具備2個(gè)平動(dòng)自由度和繞自身鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。配合加載在臺(tái)上的小天體航天器GNC系統(tǒng)實(shí)物部件和某些有效負(fù)載，進(jìn)行相對(duì)軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)自主控制物理仿真試驗(yàn)，由一個(gè)剛體框架結(jié)構(gòu)及安裝其上的各種測(cè)量與控制部件組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的底部裝有氣墊，主要的測(cè)量與控制部件為光學(xué)相機(jī)、激光測(cè)距儀、光纖陀螺、冷氣推力器系統(tǒng)組成。冷氣推力器用于推動(dòng)氣浮臺(tái)在花崗石平臺(tái)上水平移動(dòng)。本發(fā)明中的激光測(cè)距儀作為相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)的敏感器，將氣浮臺(tái)的位置和姿態(tài)信息引入相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制回路。激光測(cè)距儀距離測(cè)量精度lcm(3 O )量級(jí)；方位角和仰角測(cè)量精度0.03° (30)。
權(quán)利要求
1.深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括平臺(tái)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊、弱引力模擬器、氣浮臺(tái)、光纖陀螺、小天體地形模擬器、光學(xué)相機(jī)、激光測(cè)距儀和仿真總控模塊；光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀安裝在氣浮臺(tái)上； 光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小天體地形模擬器的光學(xué)成像，激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)航天器相對(duì)小天體的距離測(cè)量，弱引力模擬器實(shí)現(xiàn)小天體對(duì)航天器的弱引力模擬，小天體地形模擬器實(shí)現(xiàn)小天體的地形地貌特征模擬，平臺(tái)是氣浮臺(tái)模擬航天器軌道和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的水平運(yùn)動(dòng)基面，氣浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器質(zhì)量特性的模擬；小天體地形模擬器固定于平臺(tái)上； 仿真總控模塊發(fā)送弱弓I力模擬指令給弱弓I力模擬器，弱弓I力模擬器收到指令后驅(qū)動(dòng)弱引力模擬器中的超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)小天體弱引力模擬，仿真總控模塊同時(shí)還發(fā)送指令給導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊接收到指令后控制光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀工作，光纖陀螺提供氣浮臺(tái)姿態(tài)信息，光學(xué)相機(jī)提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)姿態(tài)信息，激光測(cè)距儀提供氣浮臺(tái)相對(duì)小天體地形模擬器的相對(duì)位置信息； 導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律，之后再根據(jù)所述氣浮臺(tái)導(dǎo)引律生成相應(yīng)的控制律用于驅(qū)動(dòng)氣浮臺(tái)在平臺(tái)上移動(dòng)接近附著點(diǎn)，并將氣浮臺(tái)的位置信息和姿態(tài)信息的提供給仿真總控模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律時(shí)采用比例導(dǎo)引律算法實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述平臺(tái)的每平米承載能力大于5t。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述平臺(tái)采用花崗石平臺(tái)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述平臺(tái)每平方米的傾角小于2角秒。
全文摘要
深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主GNC半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括平臺(tái)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊、弱引力模擬器、氣浮臺(tái)、光纖陀螺、小天體地形模擬器、光學(xué)相機(jī)、激光測(cè)距儀和仿真總控模塊；仿真總控模塊控制弱引力模擬器收到指令后驅(qū)動(dòng)弱引力模擬器工作實(shí)現(xiàn)弱引力模擬，同時(shí)還通過(guò)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制模塊控制光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀工作，根據(jù)光纖陀螺、光學(xué)相機(jī)和激光測(cè)距儀提供的測(cè)量結(jié)果計(jì)算氣浮臺(tái)導(dǎo)引律，之后再根據(jù)所述氣浮臺(tái)導(dǎo)引律生成相應(yīng)的控制律用于驅(qū)動(dòng)氣浮臺(tái)在平臺(tái)上移動(dòng)接近附著點(diǎn)，并將氣浮臺(tái)的位置信息和姿態(tài)信息的提供給仿真總控模塊。提高了深空探測(cè)小天體附著過(guò)程的自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面半物理仿真驗(yàn)證的真實(shí)性和可靠性。
文檔編號(hào)G01M99/00GK103018066SQ20121050461
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者唐強(qiáng), 王大軼, 黃翔宇, 朱志斌, 張曉文 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所