一種小天體探測器著陸動力學模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種小天體探測器著陸動力學模擬系統(tǒng)，屬于基于計算機技術(shù)的數(shù)字 仿真系統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 小天體包括小行星、曽星、行星的小衛(wèi)星等。小天體探測已經(jīng)成為深空探測的主要 發(fā)展方向，探測器在小天體實現(xiàn)著陸已經(jīng)成為未來深空探測的重要任務(wù)和課題。但是，小天 體形狀不規(guī)則、引力場相對較弱但是復雜、物理參數(shù)不確定等因素，導致小天體探測著陸導 航方案的設(shè)計與行星著陸有很大的區(qū)別，研究人員在設(shè)計著陸導航方案的過程中，必須借 助于計算機技術(shù)進行著陸過程的數(shù)字仿真，W驗證方案的有效性。
[0003] 目前已有的動力學模擬系統(tǒng)中，并沒有專口針對小行星小天體探測器著陸的動力 學模擬系統(tǒng)，Adams主要是為了完成機械系統(tǒng)動力學自動分析，并不適用與小天體探測器著 陸的動力學模擬仿真;Matlab的Aerospace Blockset、Ae;rospace Too化OX主要是完成飛機 的飛行動力學仿真，對行星探測器的導航與制導也有部分的模塊支持，但是沒有探測器的 六自由度動力學模型相關(guān)模塊，也沒有小天體的重力模型支持，所W相關(guān)研究人員需要做 大量的時間和工作才能使用Matlab/Simulink來實現(xiàn)小天體探測器的著陸導航與制導相關(guān) 仿真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述問題，本發(fā)明提供了一種小天體探測器著陸動力學模擬系統(tǒng)，借助 于該系統(tǒng)，相關(guān)研究人員可W快速的生成小天體探測器的動力學模型，并進一步小天體探 測器著陸目標天體的數(shù)字仿真，已驗證導航與制導算法的有效性。
[0005] 該模擬系統(tǒng)主要包括:探測器參數(shù)編輯器、小天體重力計算引擎、動力學計算引 擎、API綁定層(〔/〔++、？八11〇]1、]/[日1:1日13少01'付日]1、化￥日）；探測器參數(shù)編輯器快速完成系統(tǒng)各 參數(shù)配置，包括探測器機體坐標系的確定、轉(zhuǎn)動慣性矩陣的計算，發(fā)動機的參數(shù)配置、天體 固連坐標系的確定、著陸坐標系的確定;小天體重力計算引擎根據(jù)目標天體的Ξ位多面體 模型或者球諧系數(shù)參數(shù)，完成探測器當前位置重力加速度的計算;動力學引擎根據(jù)當前的 參數(shù)配置自動生成探測器的3自由度/6自由度動力學模型，并根據(jù)API接口綁定層傳入的發(fā) 動機控制量、星歷數(shù)據(jù)庫、天體參數(shù)數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)和小天體重力計算引擎，完成探測器的 運動和姿態(tài)計算，并通過API接口綁定層返回給客戶端程序，最終完成了小天體探測器著陸 動力學模擬計算。
[0006] 探測器參數(shù)編輯器的基本原理是借助于計算機Ξ維圖形學相關(guān)技術(shù)，通過小天體 Ξ維多面體模型或者探測器的Ξ維模型快速確定探測器的各項參數(shù)和相關(guān)坐標系，其配置 過程如下：
[0007] 步驟1:導入小天體Ξ維多面體模型，根據(jù)Ξ維多面體模型和天體密度參數(shù)，計算 小天體的質(zhì)屯、、旋轉(zhuǎn)主軸，研究人員能夠在小天體的Ξ維模型上確定天體固連坐標系和著 陸坐標系；
[0008] 步驟2:導入探測器的Ξ維模型，根據(jù)模型和各部件材質(zhì)、密度參數(shù)計算探測器的 質(zhì)屯、、最大轉(zhuǎn)動慣量方向，研究人員在探測器的Ξ維模型上確定機體坐標系，系統(tǒng)進而計算 出探測器字機體坐標系下的轉(zhuǎn)動慣性矩陣；
[0009] 步驟3:借助探測器的Ξ維模型，配置各發(fā)動機的參數(shù)，包括推力大小、推力方向、 作用點、比沖和燃耗比；
[0010] 步驟4:保存上述所有參數(shù)到參數(shù)配置文件。
[0011] 注:研究人員通過參數(shù)編輯器各參數(shù)設(shè)置面板對參數(shù)計算結(jié)果進行微調(diào)，當沒有 相應(yīng)的小天體Ξ維多面體模型或者探測器的Ξ維模型時，能夠通過面板完成全部參數(shù)的手 動輸入。
[0012] 小天體重力計算引擎的基本原理是借助于多面體重力模型和球諧系數(shù)重力模型， 計算出當前位置的重力加速度。多面體重力模型計算任意形狀，但密度均勻的小天體任意 點的重力加速度;球諧系數(shù)重力模型計算速度快，計算結(jié)果精確，但是未知天體的球諧系數(shù) 參數(shù)不好確定，但是在最小半徑內(nèi)之內(nèi)計算結(jié)果會發(fā)散?？紤]到小天體形狀及其不規(guī)則，當 探測器在球諧系數(shù)重力模型最小半徑圓之外，使用球諧系數(shù)重力模型進行計算，W提高計 算速度，但是，當探測器在著陸中穿過最小半徑圓后，系統(tǒng)會強制使用多面體重力模型進行 計算。
[0013] 動力學計算引擎完成如下功能：
[0014] (1)根據(jù)當前的參數(shù)配置生成探測器的3自由度/6自由度動力學模型；
[0015] (2)根據(jù)探測器當前位置和時間、星歷數(shù)據(jù)庫、天體參數(shù)數(shù)據(jù)庫，計算太陽系各大 天體相對與探測器的位置，進而計算出各大天體對探測器的引力攝動；
[0016] (3)根據(jù)(2)的計算結(jié)果，小天體重力引擎計算結(jié)果，并根據(jù)API接口綁定層傳入的 發(fā)動機控制量，借助龍格庫塔算法，對（1)生成探測器動力學模型進行積分，完成探測器的 運動和姿態(tài)計算，并通過API接口綁定層返回給客戶端程序，最終完成了小天體探測器著陸 動力學模擬計算。
[0017] 使用本發(fā)明進行深空探測器著陸過程動力學進行計算仿真，有如下優(yōu)點：
[0018] (1)借助于計算機Ξ維圖形學相關(guān)技術(shù)，快速確定探測器各物理參數(shù)和坐標系，同 時在探測器每次調(diào)整機械結(jié)構(gòu)之后可W快速重新確定相關(guān)參數(shù)；
[0019] (2)可W完成探測器3自由度/6自由度動力學模型生成，相關(guān)研究人員在仿真時不 再需要手動推導模型，提高工作效率；
[0020] (3)不需要借助任何專業(yè)硬件就可W完成小天體探測器著陸動力學模擬仿真計 算；
[0021] (4)綁定多種語言接口，可W根據(jù)需要，選擇所綁定的語言中任意一種做客戶端的 編寫。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0023 ]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0024] 如圖1所示，其包括探測器參數(shù)編輯器、小天體重力計算引擎、動力學計算引擎、 API綁定層（C/C++、F*ython、Matlab、Fortran、Java)。
[0025] 1)參數(shù)編輯器的基本原理是借助于計算機圖形學相關(guān)技術(shù)，通過小天體Ξ維多面 體模型或者探測器的Ξ維模型快速確定探測器的各項參數(shù)和相關(guān)坐標系，其實施方案如 下：
[0026] (1)小天體的質(zhì)屯、、最小和最大轉(zhuǎn)動慣量方向的計算方法：
[0027] 首先，對導入小天體Ξ維多面體模型進行處理，將所有不是Ξ角形的面全部再次 分割成Ξ角形，每個Ξ角形面和坐標原點組成了一個四棱柱；
[0028] 其次，根據(jù)天體平均密度，計算每個四棱柱的體積、質(zhì)量、質(zhì)屯、位置；
[0029] 第Ξ，根據(jù)公式r=( SMirO/M計算天體質(zhì)屯、；
[0030] 最小和最大轉(zhuǎn)動慣量方向詳細計算方式請參閱Dobrovolskis A R. Inertia of any polyhedronU]. Icarus, 1996,124(2):698-704。
[0031] (2)根據(jù)模型和各部件材質(zhì)、密度參數(shù)計算探測器的質(zhì)屯、、最大轉(zhuǎn)動慣量方向，探 測器機體坐標系下的轉(zhuǎn)動慣性矩陣的計算方式與（1)類似；
[0032] (3)借助（1)、（2)的計算結(jié)果，在探測器的Ξ維模型上確定機體坐標系和天體固連 坐標系和著陸坐標系，系統(tǒng)進而計算出探測器字機體坐標系下的轉(zhuǎn)動慣性矩陣；
[0033] (4)借助探測器的Ξ維模型和發(fā)動機在模型中的位置，確定各發(fā)動機推力方向、作 用點參數(shù)，推力大小、比沖和燃耗比需要根據(jù)實際情況手動輸入確定；
[0034] 2)小天體重力計算引擎根據(jù)目標天體的Ξ位多面體模型或者球諧系數(shù)參數(shù)，完成 探測器當前位置重力加速度的計算。
[0035] 多面體重力模型如下：
[0036]
[0037] 其中，r為計算點的位置向量，G為重力常數(shù)，P為小天體密度，。為計算點到多面體 棱邊e上任意一點的向量。及e =/;,倘廣說f，另^為平面A的單位法向量，巧平面A的 邊的單位法向量，％，巧的平面B相關(guān)的法向量，其定義與平面A類似，Ee為3X3矩陣。
其中η，η分計算點到棱邊e兩個端點的距離，ei2為棱邊的長度。打為計算 點到平面f任意一點的向量，巧心/戶，/i/為平面f的單位法向量，F(xiàn)f為3X3矩陣。
:0 = rirjrk+ri(rj · rk)+rj(rk · ri)+rk(ri · rj)，曰= rirjrk+ri(rj · rk)+rj (rk · riHrkbi · rj)，以印打分別為計算點到平面立角形巧個頂點的向量。
[003引引力勢能U對r進行一階求導，得到重力加速度，其表達式如下：
[0039]
[0040] 多面體重力模型能夠計算任意形狀，但密度均勻的小天體任意點的重力加速度；
[0041] 球諧系數(shù)重力模型其表達式如下：
[0042]
[0043] 其中，r為探測器距離目標天體質(zhì)屯、的距離，λ為經(jīng)度，φ為締度，GM為目標天地重 力常數(shù)，ro為目標天體參考半徑，F(xiàn)胃為完全規(guī)范化伴隨勒讓德多項式函數(shù)，ζ,為規(guī)范 化系數(shù)。上述各項系數(shù)根據(jù)仿真時所設(shè)定的目標天體而異，系統(tǒng)初始化時，重力計算引擎從 小天體諧函數(shù)級數(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫中讀取目標天體相關(guān)參數(shù)。
[0044] 在與天體固連的笛卡爾坐標系中，重力加速度表達式為引力勢能對r的一階導數(shù)， 其表達式如下：
[0056] 球諧系數(shù)重力模型計算速度快，計算結(jié)果精確，但是未知天體的球諧系數(shù)參數(shù)不 好確定，但是在最小半徑內(nèi)之內(nèi)計算結(jié)果會發(fā)散?？紤]到小天體形狀及其不規(guī)則，當探測器 在球諧系數(shù)重力模型最小半徑圓之外，可W使用球諧系數(shù)重力模型進行計算，W提高計算 速度，但是，當探測器在著陸中穿過最小半徑圓后，系統(tǒng)會強制使用多面體重力模型進行計 算。
[0057] 3)動力學計算引擎具體實現(xiàn)方案如下：
[005引根據(jù)當前的參數(shù)配置生成探測器的3自由度/6自由度動力學模型；
[0化9]質(zhì)屯、運動學方程為：
[0060]
[0061] 其中，P為探測器推力模型;G為當前位置目標天體的重力加速度與各大天體對探 測器的引力攝動之和，目標天體的重力加速度由重力計算引擎根據(jù)當前位置實時計算得 到，各大天體對探測器的引力攝動則根據(jù)探測器當前位置和時間、星歷數(shù)據(jù)庫、天體參數(shù)數(shù) 據(jù)庫，計算太陽系各大天體相對與探測器的位置，進而根據(jù)萬有引力定律計算得到；《6為 目標天體的自轉(zhuǎn)角速度，r為探測器質(zhì)屯、在慣性坐標系中的位置。
[0062] 繞質(zhì)屯、動力學模型為：