CN111453005B - 一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，包括深空背景模拟模块(1)、可重构小行星缩比拼接模型(2)、小行星自转轴控制模块(3)、可移动升降支撑模块(4)、小行星表面光照特征模拟模块(5)；所述深空背景模拟模块(1)用于吸收光照；所述小行星自转轴控制模块(3)用于调整可重构小行星缩比拼接模型(2)的姿态；所述可移动升降支撑模块(4)用于调整可重构小行星缩比拼接模型(2)的高度和位置；所述小行星表面光照特征模拟模块(5)用于输出光照。本发明模拟系统可以满足撞击器在对目标小天体撞击过程中的小天体运动状态及表面光照特征的模拟；同时具备较好的适应性，且可重构方案简单、易于操作。

Description

一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统

技术领域

本发明涉及一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，属于小行星探测技术领域。

背景技术

小行星探测是深空探测的热点领域之一，随着深空探测技术的发展，对于小行星的探测形式也趋于多样。从最初期的飞越探测发展到撞击、附着采样等。其中撞击探测是通过搭载在探测器上的撞击器实现对目标探测天体撞击侵彻来获取小天体内部土壤地质等信息。为保证撞击器能够成功的完成对目标天体的撞击，撞击器需具备自主导航功能，即在飞行和接近目标天体的过程通过对目标探测的观测进行自主的导航控制。因此，为验证撞击器的自主导航能力，需要对小天体撞击探测目标特征进行地面模拟，以达到辅助验证；现有技术中，尚未发现具有探测目标特征模拟能力的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，包括深空背景模拟模块、可重构小行星缩比拼接模型、小行星自转轴控制模块、可移动升降支撑模块、小行星表面光照特征模拟模块；所述深空背景模拟模块用于吸收光照；所述小行星自转轴控制模块用于调整可重构小行星缩比拼接模型的姿态；所述可移动升降支撑模块用于调整可重构小行星缩比拼接模型的高度和位置；所述小行星表面光照特征模拟模块用于输出光照。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，包括深空背景模拟模块、可重构小行星缩比拼接模型、小行星自转轴控制模块、可移动升降支撑模块、小行星表面光照特征模拟模块；

所述深空背景模拟模块用于吸收光照；所述小行星自转轴控制模块用于调整可重构小行星缩比拼接模型的姿态；所述可移动升降支撑模块用于调整可重构小行星缩比拼接模型的高度和位置；所述小行星表面光照特征模拟模块用于输出光照；

所述可重构小行星缩比拼接模型包括可重构立体支撑框架和拼接式小行星表面，可重构立体支撑框架用于模拟被撞击目标的形状，拼接式小行星表面用于模拟被撞击目标的表面特征。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，深空背景模拟模块对光照的吸收率大于等于93％。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述拼接式小行星表面包括多个部分，每个部分分别能够模拟但不限于平坦区地貌或多岩石地貌或多撞击坑地貌或崎岖区地貌或两种及两种以上的组合。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述拼接式小行星表面的每个部分的表面均为亚光灰色。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述可重构立体支撑框架包括伸缩杆、连接头；可伸缩杆件与连接头连接后用于模拟被撞击目标的形状。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述小行星自转轴控制模块包括水平旋转装置、俯仰旋转装置、偏航旋转装置，所述水平旋转装置、俯仰旋转装置、偏航旋转装置为三个相互正交方向的旋转装置，分别用于调整可重构小行星缩比拼接模型的自转速度、自转轴的俯仰角、自转轴偏航角。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述小行星表面光照特征模拟模块输出的光照为类平行光；且所述小行星表面光照特征模拟模块输出的光照能够模拟不同太阳方位下的光照强弱。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述深空背景模拟模块的强吸光幕布与可重构小行星缩比拼接模型的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型的最大尺度之比为1～2。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述俯仰旋转装置与可重构小行星缩比拼接模型的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型的最大尺度之比为0.1～0.5。

上述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，优选的，所述俯仰旋转装置、偏航旋转装置均采用电机驱动，旋转角度均为360°；当撞击器的姿态变化时，通过将撞击器的姿态变化角度采用坐标矩阵换算成小行星目标的姿态变化角，然后利用电机驱动所述俯仰旋转装置和偏航旋转装置带动可重构小行星缩比拼接模型旋转，用于模拟空间飞行中撞击器的姿态调整。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明模拟系统可以满足撞击器在对目标小天体撞击过程中的小天体运动状态及表面光照特征的模拟；

(2)本发明模拟系统采用小天体缩比模型的可重构设计，具备较好的适应性，且可重构方案简单、易于操作；

(3)本发明模拟系统具备模拟小天体绕自转轴旋转以及在轨太阳光照变化的功能，可较好的满足未来深空小天体目标撞击探测的需求；

(4)本发明模拟系统考虑到了小天体目标形态的多样化以及目标天体受到太阳光照的强弱和方位差异等，因此可重构小行星缩比拼接模型、小行星表面光照特征模拟模块等具有良好的通用性以及可拓展性，同时系统还需要兼顾到试验的可操作性；

(5)本发明模拟系统可以模拟小天体在轨运动及表面光照特征等，因此还能够用于小天体探测器接近段的目标状态模拟。

附图说明

图1为本发明系统整体框图；

图2为本发明可重构小行星缩比拼接模型及内部图；其中图2(a)为可重构小行星缩比拼接模型，图2(b)为可重构杆件框架；

图3为本发明可重构小行星缩比拼接模型的十四面体和六面体示意图；其中图3(a)为可重构小行星缩比拼接模型的十四面体顶视图，图3(b)为可重构小行星缩比拼接模型的十四面体三维视图；图3(c)为可重构小行星缩比拼接模型的六面体示意图；

图4为本发明小行星自转轴控制模块示意图；其中图4(a)为小行星自转轴控制模块三维视图，图4(b)为小行星自转轴控制模块仰视图；

图5为本发明可移动升降支撑模块示意图；其中图5(a)为可移动升降支撑模块三维视图，图5(b)为可移动升降支撑模块侧视图；

图6为本发明小行星表面光照特征模拟模块示意图；

图7为本发明深空背景模拟模块示意图；其中图7(a)为深空背景模拟模块组成示意图，图7(b)为支撑框架示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，包括可重构小行星缩比拼接模型2、小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4、小行星表面光照特征模拟模块5、深空背景模拟模块1。其中，可重构小行星缩比拼接模型2、小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4依次连接。

所述可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，可以对撞击探测的目标小天体在深空环境下运动状态以及表面特征进行模拟，具备目标小天体物理形貌模拟，目标天体绕自转轴旋转运动以及表面受光照变化模拟的功能。

所述的可重构小行星缩比拼接模型2，包括可重构立体支撑框架和拼接式小行星表面6，可重构杆件框架包括伸缩杆7、连接头8。可重构立体支撑框架采用杆件搭接形式用于小行星模型的内部支撑；拼接式小行星表面6将小行星表面分成多份，通过拼接构成完整的小行星表面。

所述的可重构立体支撑框架，采用可伸缩杆件7以及连接头8进行搭接，可伸缩杆件7与连接头8直接采用螺纹进行连接，可根据目标小天体的整体外形不同，通过搭接重组来得到不同整体外形下的小天体内部支撑框架。

所述的拼接式小行星表面6，是根据地面观测得到天体目标整体外形，分成三份或多份，并采用树脂材料进行3D打印制作，并在支撑框架上完成拼接安装，并在为表面喷上亚光灰色，采用至少五年内不会氧化变色的涂料。

所述的拼接式小行星表面6，由于小行星表面特征往往未知，所以3D打印可对每个等分部分建立四种典型小行星表面形貌，包含平坦区地貌、多岩石地貌、多撞击坑地貌、崎岖区地貌。通过对地貌的组合拼接形成不同的小天体整体表面特征。对于已知的小行星表面形貌，可根据实际情况建模并打印拼接。

所述的小行星自转轴控制模块3，包括水平旋转装置9，俯仰旋转装置11，偏航旋转装置10、控制电机。其中水平旋转装置9与小行星模型之间采用螺纹连接，连接底板与可移动升降支撑模块顶部17之间采用螺杆连接。

所述的小行星自转轴控制模块3，水平旋转装置9，俯仰旋转装置11，偏航旋转装置10为三个相互正交方向的旋转装置，可实现目标天体的自转轴的俯仰和偏航调整，以及控制小行星自转速度。其中，三个旋转装置具备360度旋转范围并由电机控制，水平旋转装置9可调节小天体的自转速度，其余两个方向上的旋转装置具备自转轴的俯仰和偏航角度调整功能，可用于模拟撞击器的姿态调整。

所述的小行星自转轴控制模块3，其中，俯仰旋转装置11，偏航旋转装置10采用电机进行控制，通过将撞击器的姿态变化角度采用坐标矩阵换算成小行星目标的姿态变化角，并输入到小行星的自转轴控制程序中，用于模拟空间飞行中撞击器的姿态调整。该模拟能在保持撞击器不动的条件下，通过小行星目标的自转轴控制来模拟撞击器姿态机动。

所述的可移动升降支撑模块4，包括折叠支架13、带有滑槽的装置底部14、万向轮15、液压机构16、带有通孔的装置顶部17。其中，底部四个可固定万向轮15便于整体移动，可移动升降支撑模块4采用折叠支架13配合带有滑槽的装置底部14，由液压机构16控制升降。可移动升降支撑模块4可用于小行星缩比模型的方位移动以及高低调整，便于探测器对目标小天体的初定位。

所述的小行星表面光照特征模拟模块5，主要包括可调节的模拟太阳光源，伸缩支架、水平旋转盘、滑动轮以及滑动导轨，可模拟目标天体在不同太阳方位下光照情况以及实现光照强弱的可控变化。其中，模拟太阳光源可采用类平行光光源，尽量控制束散角来模拟无限远处太阳光的照射效果。

所述的小行星表面光照特征模拟模块5，包括可调节的模拟太阳光源18、旋转盘19、伸缩架20、滑动导轨22；模拟太阳光源18通过旋转盘19安装于可调节照射角度、高度的伸缩架20上，伸缩架20底部安装有滑动轮并放置在滑动导轨22中，滑动导轨22可设计成直线型或弧形，用于模拟光源方位。

所述的小行星表面光照特征模拟模块5，滑动导轨22，具备模拟小行星绕太阳公转的效果。在滑动导轨上设置相应的刻度，通过将小行星表面光照特征模拟模块沿导轨进行移动，可调整小行星与太阳的方位角。

所述的深空背景模拟模块1包括强吸光幕布23、深空背景模拟模块万向轮24、支撑框架25，在小行星缩比模型的左右、背部及顶部1.5m距离处放置组合好的支撑框架25，支撑框架25用于支撑深空背景模拟模块1和强吸光幕布23，用于模拟深空下的深黑背景，其中吸光幕布23对光源的光照需具备93％以上的吸收能力。

所诉的小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4，结构外表需要采用覆盖上高吸光材料，或者采用高吸光布进行整体遮盖，防止光照下物体表面的发生光反射影响到整体深黑效果模拟。

所述深空背景模拟模块1的强吸光幕布23与可重构小行星缩比拼接模型2的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型2的最大尺度之比为1～2。所述俯仰旋转装置11与可重构小行星缩比拼接模型2的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型2的最大尺度之比为0.1～0.5。

实施例：

如图1所示，本发明小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，包括可重构小行星缩比拼接模型2、小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4、小行星表面光照特征模拟模块5、深空背景模拟模块1。其中可重构小行星缩比拼接模型2、小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4依次连接。在实际操作中为防止拍摄到小行星自转轴控制模块3、可移动升降支撑模块4，需将其用吸光布对其进行遮盖。

如图2所示，可重构小行星缩比拼接模型2包括可重构杆件框架和小行星拼接表面6；其中可重构杆件框架包括伸缩杆7、连接头8。其中，可重构杆件框架可根据小天体目标的形状进行重新组装。小行星表面可划分为多块，每一块上可设置四种形貌，通过组合可模拟多种形态下的未知小行星表面形貌。其中图2(a)为可重构小行星缩比拼接模型，图2(b)为可重构杆件框架。

如图3所示，可重构杆件框架将伸缩杆7用连接头8进行连接，图中为十四面体以及六面体的连接示意图，每个面上都具有与伸缩杆7匹配的螺纹孔，除十四面体和六面体以外，还可以设计成其他形状。其中图3(a)为可重构小行星缩比拼接模型的十四面体顶视图，图3(b)为可重构小行星缩比拼接模型的十四面体三维视图；图3(c)为可重构小行星缩比拼接模型的六面体示意图。

如图4所示，其中图4(a)为小行星自转轴控制模块三维视图，图4(b)为小行星自转轴控制模块仰视图；小行星自转轴控制模块3包括水平旋转装置9、偏航旋转装置10、俯仰旋转装置11。水平旋转装置9、偏航旋转装置10、俯仰旋转装置11为三个相互正交方向的旋转装置，可实现目标天体的自转轴的俯仰和偏航调整，以及控制小行星自转速度。其中，三个旋转装置具备360度旋转范围并由电机控制，水平旋转装置9可调节小天体的自转速度，其余两个方向上的旋转装置具备自转轴的俯仰和偏航角度调整功能，可用于模拟撞击器的姿态调整。四个螺纹孔12用于与可移动升降支撑模块相连接，水平旋转装置9分别与可重构小行星缩比拼接模型2和俯仰旋转装置11连接，俯仰旋转装置11和偏航旋转装置10连接。所述俯仰旋转装置11与可重构小行星缩比拼接模型2的最小距离为0.15m。

如图5所示，其中图5(a)为可移动升降支撑模块三维视图，图5(b)为可移动升降支撑模块侧视图；可移动升降支撑模块4，包括折叠支架13、带有滑槽的装置底部14、万向轮15、液压机构16、带有通孔的装置顶部17。液压机构16用来控制升降，在往上升时，液压机构16将折叠支架13的连接处往上顶，折叠支架13的根部通过滑槽同时向内运动，折叠支架13中的四边形钝角变小，四边形变的细窄从而起到上升作用。同时安装在的万向轮15，可控制整个装置的水平方向移动，装置顶部17的通孔与小行星自转轴控制模块3的螺纹孔12位置匹配，通过4根螺杆进行两个模块的连接。

如图6所示，小行星表面光照特征模拟模块5，包括可调节的模拟太阳光源18、旋转盘19、伸缩架20、滑动导轨22，其中可调节的模拟太阳光源18可采用类平行光光源，可调节的模拟太阳光源18采用旋转盘19进行照射角度调节，可调节的模拟太阳光源18采用伸缩架20进行高度调节，伸缩架20底部安装有滑动轮21并放置在滑动导轨22中，滑动导轨22可根据光源方位进行设计，可以设计成直接或弧线等。

如图7所示，深空背景模拟模块1包括强吸光幕布23、深空背景模拟模块万向轮24、支撑框架25，在小行星缩比模型的左右、后面及顶部1.5m距离处皆采用强吸光幕布23进行包裹用于模拟深空下的深黑背景(本实施例小行星缩比模型的最大尺度为1m)，支撑框架25用于支撑深空背景模拟模块1和强吸光幕布23。深空背景模拟模块万向轮24便于深空背景模拟模块1的移动。其中图7(a)为深空背景模拟模块组成示意图，图7(b)为支撑框架示意图。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，包括深空背景模拟模块(1)、可重构小行星缩比拼接模型(2)、小行星自转轴控制模块(3)、可移动升降支撑模块(4)、小行星表面光照特征模拟模块(5)；

所述深空背景模拟模块(1)用于吸收光照；所述小行星自转轴控制模块(3)用于调整可重构小行星缩比拼接模型(2)的姿态；所述可移动升降支撑模块(4)用于调整可重构小行星缩比拼接模型(2)的高度和位置；所述小行星表面光照特征模拟模块(5)用于输出光照；

所述可重构小行星缩比拼接模型(2)包括可重构立体支撑框架和拼接式小行星表面(6)，可重构立体支撑框架用于模拟被撞击目标的形状，拼接式小行星表面(6)用于模拟被撞击目标的表面特征；

所述拼接式小行星表面(6)包括多个部分，每个部分能够模拟平坦区地貌或多岩石地貌或多撞击坑地貌或崎岖区地貌或上述地貌的多种组合；

所述可重构立体支撑框架包括伸缩杆(7)、连接头(8)；伸缩杆(7)与连接头(8)连接后用于模拟被撞击目标的形状。

2.根据权利要求1所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，深空背景模拟模块(1)对光照的吸收率大于等于93％。

3.根据权利要求1所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述拼接式小行星表面(6)的每个部分的表面均为亚光灰色。

4.根据权利要求1所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述小行星自转轴控制模块(3)包括水平旋转装置(9)、俯仰旋转装置(11)、偏航旋转装置(10)，所述水平旋转装置(9)、俯仰旋转装置(11)、偏航旋转装置(10)为三个相互正交方向的旋转装置，分别用于调整可重构小行星缩比拼接模型(2)的自转速度、自转轴的俯仰角、自转轴偏航角。

5.根据权利要求1所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述小行星表面光照特征模拟模块(5)输出的光照为类平行光；且所述小行星表面光照特征模拟模块(5)输出的光照能够模拟不同太阳方位下的光照强弱。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述深空背景模拟模块(1)的强吸光幕布(23)与可重构小行星缩比拼接模型(2)的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型(2)的最大尺度之比为1～2。

7.根据权利要求4所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述俯仰旋转装置(11)与可重构小行星缩比拼接模型(2)的最小距离，与，可重构小行星缩比拼接模型(2)的最大尺度之比为0.1～0.5。

8.根据权利要求4所述的一种可重构小天体撞击探测目标特征地面模拟系统，其特征在于，所述俯仰旋转装置(11)、偏航旋转装置(10)均采用电机驱动，旋转角度均为360°；当撞击器的姿态变化时，通过将撞击器的姿态变化角度采用坐标矩阵换算成小行星目标的姿态变化角，然后利用电机驱动所述俯仰旋转装置(11)和偏航旋转装置(10)带动可重构小行星缩比拼接模型(2)旋转，用于模拟空间飞行中撞击器的姿态调整。

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