CN103018066A - 深空探测小天体附着过程的自主gnc半物理仿真试验系统 - Google Patents

深空探测小天体附着过程的自主gnc半物理仿真试验系统 Download PDF

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Abstract

深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，包括：平台、导航、制导与控制模块、弱引力模拟器、气浮台、光纤陀螺、小天体地形模拟器、光学相机、激光测距仪和仿真总控模块；仿真总控模块控制弱引力模拟器收到指令后驱动弱引力模拟器工作实现弱引力模拟，同时还通过导航、制导与控制模块控制光纤陀螺、光学相机和激光测距仪工作，根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律，之后再根据所述气浮台导引律生成相应的控制律用于驱动气浮台在平台上移动接近附着点，并将气浮台的位置信息和姿态信息的提供给仿真总控模块。提高了深空探测小天体附着过程的自主导航与控制技术地面半物理仿真验证的真实性和可靠性。

Description

深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统
技术领域
本发明涉及深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，属于深空探测小天体附着过程自主GNC半物理仿真领域。
背景技术
小天体探测是深空探测中的一个重要研究领域，小天体探测是指通过发射航天器携带各类科学探测仪器近距离飞越、绕轨道运行、撞击、附着着陆小天体等方式对小天体进行观测研究，获取小天体形状、大小、质量、质量分布、重力、磁场、自转率、化学成分和主要矿物分布特性等信息。小天体探测是人类探索太阳系起源及演化过程，研究近地小天体撞击地球的潜在危险的重要手段。
附着小天体是指航天器在导航系统的引导下，通过推进系统的减速和姿态控制系统的调整，让航天器以一定相对速度和姿态在预计的着陆区域接触小天体。小天体航天器附着自主GNC技术主要考虑小天体的弱引力、大温差、形状不规则和表层土壤不明确的特点。开展小天体附着自主导航和控制关键技术的研究，并进行可行的地面物理仿真试验验证，是我国未来实施小天体探测工程乃至深空探测计划的迫切需要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，实现了对附着小天体形状和表层地貌特性以及小天体弱引力的模拟，提高了深空探测小天体附着过程的自主导航与控制技术地面半物理仿真验证的真实性和可靠性。
本发明的技术解决方案是：
深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，包括：平台、导航、制导与控制模块、弱引力模拟器、气浮台、光纤陀螺、小天体地形模拟器、光学相机、激光测距仪和仿真总控模块；光纤陀螺、光学相机和激光测距仪安装在气浮台上；
光学相机实现对小天体地形模拟器的光学成像，激光测距仪实现航天器相对小天体的距离测量，弱引力模拟器实现小天体对航天器的弱引力模拟，小天体地形模拟器实现小天体的地形地貌特征模拟，平台是气浮台模拟航天器轨道和姿态运动的水平运动基面，气浮台实现对航天器质量特性的模拟；小天体地形模拟器固定于平台上；
仿真总控模块发送弱引力模拟指令给弱引力模拟器，弱引力模拟器收到指令后驱动弱引力模拟器中的超导线圈实现小天体弱引力模拟，仿真总控模块同时还发送指令给导航、制导与控制模块，导航、制导与控制模块接收到指令后控制光纤陀螺、光学相机和激光测距仪工作，光纤陀螺提供气浮台姿态信息，光学相机提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对姿态信息，激光测距仪提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对位置信息；
导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律，之后再根据所述气浮台导引律生成相应的控制律用于驱动气浮台在平台上移动接近附着点，并将气浮台的位置信息和姿态信息的提供给仿真总控模块。
所述导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律时采用比例导引律算法实现。
所述平台的每平米承载能力大于5t。
所述平台采用花岗石平台。
所述平台每平方米的倾角小于2角秒。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出深空探测小天体附着过程的一种自主GNC半物理仿真试验系统具有小天体模拟效果真实、实时性好、试验可操作性强，能够同时模拟小天体地形地貌特征、小天体弱引力，实现小天体自主导航与控制技术地面仿真试验验证。
(2)本发明采用气浮台模拟小天体航天器的质量特性、引入真实的敏感器、弱引力模拟器到试验系统中，对于小天体航天器的真实工况充分的模拟。具备小天体自主导航、制导与控制技术精度验证功能。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供了深空探测小天体附着过程的自主GNC(导航、制导与控制)半物理仿真试验系统，实现了对小天体航天器质量特性、小天体地形地貌特征和小天体弱引力的真实模拟。
如图1所示为本发明的系统组成，主要有以下模块组成：平台、导航、制导与控制模块、弱引力模拟器、气浮台、光纤陀螺、小天体地形模拟器、光学相机、激光测距仪和仿真总控模块；光纤陀螺、光学相机和激光测距仪安装在气浮台上。平台的每平米承载能力大于5t，每平方米的倾角小于2角秒，本发明采用花岗石制作台面，可以达到上述要求。
光学相机实现对小天体地形模拟器的光学成像，激光测距仪实现航天器相对小天体的距离测量，弱引力模拟器实现小天体对航天器的弱引力模拟，小天体地形模拟器实现小天体的地形地貌特征模拟，平台是气浮台模拟航天器轨道和姿态运动的水平运动基面，气浮台实现对航天器质量特性的模拟；小天体地形模拟器固定于平台上；
仿真总控模块发送弱引力模拟指令给弱引力模拟器，弱引力模拟器收到指令后驱动弱引力模拟器中的超导线圈实现小天体弱引力模拟，仿真总控模块同时还发送指令给导航、制导与控制模块，导航、制导与控制模块接收到指令后控制光纤陀螺、光学相机和激光测距仪工作，光纤陀螺提供气浮台姿态信息，光学相机提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对姿态信息，激光测距仪提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对位置信息；
导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律，之后再根据所述气浮台导引律生成相应的控制律用于驱动气浮台在平台上移动接近附着点，并将气浮台的位置信息和姿态信息的提供给仿真总控模块。
导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律时采用比例导引律算法实现。
本发明中弱引力模拟器主要是由两个超导线圈正交装配组成，安装在气浮台上，模拟小天体的弱引力。其电流达到80A，在0-10m范围内产生0.5N-3N的力，功率400W，采用液氮冷凝技术工作温度为70K。
本发明中的花岗石平台由0.33m厚，面积为(2.2×1.6)平方米的“济南青”花岗石100块拼接而成。花岗石平台基面每平米承载能力大于5t；整个花岗石平台必须安装在实验室整体防震地基上，地基达到5×10-4g的防震要求。平台每平方米的倾角小于2角秒。
本发明中的气浮台，具备2个平动自由度和绕自身铅垂轴转动自由度。配合加载在台上的小天体航天器GNC系统实物部件和某些有效负载，进行相对轨道和姿态运动自主控制物理仿真试验，由一个刚体框架结构及安装其上的各种测量与控制部件组成。框架结构的底部装有气垫，主要的测量与控制部件为光学相机、激光测距仪、光纤陀螺、冷气推力器系统组成。冷气推力器用于推动气浮台在花岗石平台上水平移动。
本发明中的激光测距仪作为相对运动控制闭环系统的敏感器，将气浮台的位置和姿态信息引入相对运动控制回路。激光测距仪距离测量精度1cm(3σ)量级；方位角和仰角测量精度0.03°(3σ)。

Claims (5)

1.深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，其特征在于包括：平台、导航、制导与控制模块、弱引力模拟器、气浮台、光纤陀螺、小天体地形模拟器、光学相机、激光测距仪和仿真总控模块；光纤陀螺、光学相机和激光测距仪安装在气浮台上；
光学相机实现对小天体地形模拟器的光学成像，激光测距仪实现航天器相对小天体的距离测量，弱引力模拟器实现小天体对航天器的弱引力模拟，小天体地形模拟器实现小天体的地形地貌特征模拟，平台是气浮台模拟航天器轨道和姿态运动的水平运动基面，气浮台实现对航天器质量特性的模拟；小天体地形模拟器固定于平台上；
仿真总控模块发送弱引力模拟指令给弱引力模拟器，弱引力模拟器收到指令后驱动弱引力模拟器中的超导线圈实现小天体弱引力模拟，仿真总控模块同时还发送指令给导航、制导与控制模块，导航、制导与控制模块接收到指令后控制光纤陀螺、光学相机和激光测距仪工作，光纤陀螺提供气浮台姿态信息，光学相机提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对姿态信息，激光测距仪提供气浮台相对小天体地形模拟器的相对位置信息；
导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律，之后再根据所述气浮台导引律生成相应的控制律用于驱动气浮台在平台上移动接近附着点，并将气浮台的位置信息和姿态信息的提供给仿真总控模块。
2.根据权利要求1所述的深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，其特征在于：所述导航、制导与控制模块根据光纤陀螺、光学相机和激光测距仪提供的测量结果计算气浮台导引律时采用比例导引律算法实现。
3.根据权利要求1所述的深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，其特征在于：所述平台的每平米承载能力大于5t。
4.根据权利要求1或3所述的深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，其特征在于：所述平台采用花岗石平台。
5.根据权利要求1或3所述的深空探测小天体附着过程的自主GNC半物理仿真试验系统，其特征在于：所述平台每平方米的倾角小于2角秒。
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