CN113264203A - 一种多目标六自由度微重力地面模拟系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多目标六自由度微重力地面模拟系统及使用方法,属于地面微重力模拟试验技术领域。包括高刚度龙门架、离散式导向系统、六自由度仿真平台、运动测量系统,高刚度龙门架固定在地面上,离散式导向系统安装在高刚度龙门架的下表面上,六自由度仿真平台与离散式导向系统滑动连接,且悬吊于离散式导向系统的下方,运动测量系统安装在高刚度龙门架的四周。本发明容许不少于5个六自由度仿真平台同时进行地面模拟运动,采用组合式二维运动系统和竖直升降系统跟踪空间位置,三自由度转动系统适应空间姿态,恒力保持系统提供微重力环境,使得整个系统能够适应载荷六自由度较大范围机动和多载荷交错式运动模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种多目标六自由度微重力地面模拟系统及使用方法,属于地面微重力模拟试验技术领域。
背景技术
随着空间科学技术的不断发展,无论是近地导航还是深空探测,航天器的研发频率越来越高,系统功能越来越复杂,验证新技术新方案的频次越来越多。然而,航天器的技术风险性高、系统功能复杂、发射成本较高、试验失败损失较大,为了尽可能降低航天器发生故障或失效造成的损失,保证航天器的高可靠性尤为重要。因此,在地面进行尽可能多的基于空间环境的试验模拟是发射任务成功的基本保障。其中较为关键的地面模拟试验环境是微低重力环境,目前可大致分为托举式和悬吊式两种方案。
托举式支撑平台在下方,载荷在上方,采用支撑力平衡重力的方式;悬吊式基础平台在上方,载荷在下方,采用拉力平和重力的方式。相较于悬挂式方法,托举式方案较为笨重,竖直方向运动行程受限,无法满足大范围的模拟运动需求,而悬吊式可通过柔性绳索伸缩形式完成竖直方向运动,运动行程更大。此外,由于托举式方案保障机构在下端,存在干涉风险,特别是对于多航天器协同仿真任务,难以进行交错运动;而悬吊式在载荷附近仅有绳索占位,也可以通过规划吊点位置进行干涉规避。相比而言,悬吊式方案更加灵活,更适合进行多航天器交互式协同仿真任务。
随着航天器的发展,对航天器地面微重力试验模拟技术提出了新的要求对全自由度、多航天器协同、高普适性的地面模拟试验系统提出了强烈需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多目标六自由度微重力地面模拟系统及使用方法,以解决现有技术中存在的问题。
一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,多目标六自由度微重力地面模拟系统包括高刚度龙门架、离散式导向系统、六自由度仿真平台、运动测量系统,
高刚度龙门架固定在地面上,离散式导向系统安装在高刚度龙门架的下表面上,六自由度仿真平台与离散式导向系统滑动连接,且悬吊于离散式导向系统的下方,运动测量系统安装在高刚度龙门架的四周。
进一步的,高刚度龙门架,用于为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统提供基础运动平台;
离散式导向系统,用于为六自由度仿真平台提供运动支持和导向;
六自由度仿真平台,用于作为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统的运动单元;
运动测量系统,用于测量六自由度仿真平台中载荷的六自由度位姿。
进一步的,离散式导向系统包括若干支撑块,若干支撑块固定安装在高刚度龙门架的下表面上,形成供六自由度仿真平台运动的轨道。
进一步的,每个支撑块包括连接块、滑轮、导向槽和承重板,连接块固定连接在高刚度龙门架的下表面上,连接块的下表面固定连接于承重板的上表面上,滑轮设有两层,由内至外设置在连接块的周围,两层滑轮间形成导向槽。
进一步的,连接块为永磁体,高刚度龙门架为能被永磁体吸引的材料制成。
进一步的,六自由度仿真平台包括二维主动运动系统、竖直升降系统、二维被动跟踪系统、恒力保持系统、三自由度转动系统和载荷;
二维主动运动系统与离散式导向系统滑动相连,二维被动跟踪系统通过连接杆连接在二维主动运动系统下方,竖直升降系统安装在二维被动跟踪系统上,竖直升降系统下方依次悬吊恒力保持系统、三自由度转动系统和载荷;
进一步的,二维主动运动系统包括全向轮、电机支座、控制系统、直流电机和移动单元底板,控制系统安装在移动单元底板中心的上表面,电机支座呈四个方向均匀设置在控制系统的周围,直流电机安装在电机支座上,直流电机的转子固定连接全向轮,移动单元底板对应全向轮处设有镂空,全向轮的部分轮体通过镂空穿至移动单元底板的下方。
进一步的,二维被动跟踪系统包括横向导向杆、横向气浮轴承、连接套、纵向导向杆、纵向气浮轴承、连接块和承重板,纵向导向杆通过连接套连接横向气浮轴承,横向气浮轴承套接在横向导向杆上,横向导向杆的两端连接连接杆,纵向气浮轴承套接在纵向导向杆上,承重板通过连接块固定安装于纵向气浮轴承上。
进一步的,运动测量系统采用多个运动相机组合形式,拍摄范围覆盖整个运动空间。
一种多目标六自由度微重力地面模拟系统的使用方法,应用于上述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,
首先,在地面上搭建高刚度龙门架,在高刚度龙门架下方安装离散式导向系统,确定运动空间。然后,安装、标定并调整运动测量系统,使得整个高刚度龙门架下的可利用运动空间均被运动测量系统的测量范围覆盖,确保每个六自由度仿真平台运动时均可由不少于个运动相机捕捉,能够进行有效的位姿信息测量。接着,将多个载荷悬挂在多个六自由度仿真平台下方,调整恒力保持系统结构,提供竖直方向上微重力环境。
当载荷发生机动后,首先由运动测量系统测量载荷位姿信息,控制系统根据反馈的位姿信息主动控制二维主动运动系统在离散式导向系统内运动,使得载荷的正上方能够位于二维被动跟踪系统可适应范围内。二维被动跟踪系统通过气浮轴承在气浮导轨上滑动,被动适应保证悬吊点在载荷正上方附近。同时,竖直升降系统进行竖直方向升降运动跟踪,使得绳索处于拉紧状态。至此,完成载荷的三自由度位置运动学跟踪。
进一步的,由恒力保持系统的组合弹簧被动适应机构卸去大部分重力,通过力敏感器测量出残余力大小,再由并联的主动补偿机构补偿残余力,保持载荷处于微重力环境。接着,三自由度转动系统通过气浮球轴承被动适应载荷角度运动。至此,可实现单目标的六自由度运动学仿真和竖直方向上的动力学模拟。
当存在多个目标载荷同时进行运动时,各个六自由度仿真平台分别进行位姿保持,如若发生交错运动,由二维主动运动系统规划行动轨迹,完成离散式交错运动。在上方运动平台不发生干涉的情况下,二维主动运动系统能够使得悬吊点仍处于二维被动跟踪系统的可适应运动范围内,由二维被动跟踪系统被动运动使得悬吊点位于载荷正上方附近,完成二维平面内连续式交错运动。竖直升降系统、恒力保持系统、三自由度转动系统的运动形式同单个载荷任务相同。最终,实现多目标六自由度运动微重力地面模拟。
本发明的有以下优点:本发明提出的一种悬吊式四自由度运动模拟系统及使用方法相对现有技术存在如下有益效果:
(1)普适性强,适用于多个大多数中小型航天器的全自由度地面微重力模拟实验,从而降低航天器失效概率。
(2)结构简单,系统采用串联方式,降低子系统之间的耦合关系,具有较强的稳定性。
(3)全自由度动力学仿真,采用组合二维运动系统、恒力保持系统、三自由度转动系统,能够进行全自由度动力学仿真。
(4)仿真数量多,能够同时进行不少于5个航天器六自由度微重力地面模拟,可提供交错式连续运动模式。
附图说明
图1为本发明的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统的结构示意图;
图2为本发明的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统的俯视图;
图3为六自由度仿真平台的结构示意图;
图4为二维主动运动系统的结构示意图;
图5为离散式导向系统的结构示意图;
图6为二维主动运动系统与离散式导向系统配合时的结构示意图;
图7为二维被动跟踪系统的结构示意图;
图8为三自由度转动系统的结构示意图。
其中,1为高刚度龙门架、2为离散式导向系统、2-1为连接块、2-2为滑轮、2-3为导向槽、2-4为承重板、3为六自由度仿真平台、4为运动测量系统、5为二维主动运动系统、5-1为全向轮、5-2为电机支座、5-3为控制系统、5-4为直流电机、5-5为移动单元底板、6为竖直升降系统、7为二维被动跟踪系统、7-1为横向导向杆、7-2为横向气浮轴承、7-3为连接套、7-4为纵向导向杆、7-5为纵向气浮轴承、7-6为连接块、7-7为承重板、8为恒力保持系统、9为三自由度转动系统、9-1为连接杆、9-2为配重块、9-3为气浮球轴承、9-4为供气气瓶、10为载荷、11为载荷壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参照图1所示,本发明提出了一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,多目标六自由度微重力地面模拟系统包括高刚度龙门架1、离散式导向系统2、六自由度仿真平台3、运动测量系统4,
高刚度龙门架1固定在地面上,离散式导向系统2安装在高刚度龙门架1的下表面上,六自由度仿真平台3与离散式导向系统2滑动连接,且悬吊于离散式导向系统2的下方,运动测量系统4安装在高刚度龙门架1的四周。
进一步的,高刚度龙门架1,用于为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统提供基础运动平台;
离散式导向系统2,用于为六自由度仿真平台3提供运动支持和导向;
六自由度仿真平台3,用于作为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统的运动单元;
运动测量系统4,用于测量六自由度仿真平台3中载荷10的六自由度位姿。
进一步的,参照图2所示,离散式导向系统2包括若干支撑块,若干支撑块固定安装在高刚度龙门架1的下表面上,形成供六自由度仿真平台3运动的轨道。
进一步的,参照图5所示,每个支撑块包括连接块2-1、滑轮2-2、导向槽2-3和承重板2-4,连接块2-1固定连接在高刚度龙门架1的下表面上,连接块2-1的下表面固定连接于承重板2-4的上表面上,滑轮2-2设有两层,由内至外设置在连接块2-1的周围,两层滑轮2-2间形成导向槽2-3。
进一步的,连接块2-1为永磁体,高刚度龙门架1为能被永磁体吸引的材料制成。
进一步的,参照图3所示,六自由度仿真平台3包括二维主动运动系统5、竖直升降系统6、二维被动跟踪系统7、恒力保持系统8、三自由度转动系统9和载荷10;
参照图6所示,二维主动运动系统5与离散式导向系统2滑动相连,二维被动跟踪系统7通过连接杆连接在二维主动运动系统5下方,竖直升降系统6安装在二维被动跟踪系统7上,竖直升降系统6下方依次悬吊恒力保持系统8、三自由度转动系统9和载荷10;
进一步的,参照图4所示,二维主动运动系统5包括全向轮5-1、电机支座5-2、控制系统5-3、直流电机5-4和移动单元底板5-5,控制系统5-3安装在移动单元底板5-5中心的上表面,电机支座5-4呈四个方向均匀设置在控制系统5-3的周围,直流电机5-4安装在电机支座5-2上,直流电机5-4的转子固定连接全向轮5-1,移动单元底板5-5对应全向轮5-1处设有镂空,全向轮5-1的部分轮体通过镂空穿至移动单元底板5-5的下方。
具体的,二维主动运动系统5能够在离散式导向系统2的支撑和导向下进行离散、大范围二维平面主动运动。
进一步的,参照图7所示,二维被动跟踪系统7包括横向导向杆7-1、横向气浮轴承7-2、连接套7-3、纵向导向杆7-4、纵向气浮轴承7-5、连接块7-6和承重板7-7,纵向导向杆7-4通过连接套7-3连接横向气浮轴承7-2,横向气浮轴承7-2套接在横向导向杆7-1上,横向导向杆7-1的两端连接连接杆,纵向气浮轴承7-5套接在纵向导向杆7-4上,承重板7-7通过连接块7-6固定安装于纵向气浮轴承7-5上。
具体的,二维被动跟踪系统7采用气浮轴承-导轨形式,能够适应小范围的二维平面被动跟随。
二维主动运动系统5与二维被动跟踪系统7组合运动,能够保证吊点始终处于模拟载荷正上方附近,使得重力抵消过程中较为稳定,避免存在过大的水平分量。
竖直升降系统6采用卷扬机实现大范围升降,由电机带动辊轮运动,控制绳索升降,提供大范围竖直方向运动。
恒力保持系统8在竖直升降系统7的运动基础上,采用组合弹簧被动保持及主动电机补偿并联的形式,进行竖直方向重力的抵消,为载荷提供竖直方向微重力环境。
恒力保持系统8包括力敏感器、被动力保持系统和主动补偿电机,其中,
被动力保持系统包括上层板、导向滑环、中层板、导向杆和下层板,上层板与竖直悬吊绳的下端连接,中层板设有供导向杆穿过的通孔,导向滑环竖直设置于通孔处,导向杆穿过导向滑环和中层板上的通孔,上层板通过导向杆连接下层板,
主动补偿电机安装在下层板上,下层板上固定设置有一半封闭空间,力敏感器的上端固定在中层板上,下端穿过半封闭空间的顶面进入到半封闭空间中。
三自由度转动系统9采用高精度气浮球轴承方式,气浮球轴承的球和球窝可以在通气的情况下行程气膜保护,保证相对角度运动时摩擦力较小,提供偏航方向连续运动,俯仰和滚转方向不小于60度的三自由度转动自由环境。
参照图8所示,三自由度转动系统9包括连接杆9-1、配重块9-2、气浮球轴承9-3、供气气瓶9-4、载荷10和载荷壳体11;
连接杆9-1上套装有一弹簧,弹簧上抵力敏感器的下端,下抵半封闭空间的底面,连接杆9-1的上端在半封闭空间内与力敏感器的下端连接,下端穿过载荷壳体11的上壳体与气浮球轴承9-3的球转动连接形成固定端,气浮球轴承9-3的球窝与载荷壳体11连接形成移动端,配重块9-2、载荷10和供气气瓶9-4设置在载荷壳体11内,其中,
供气气瓶9-4,用于为气浮球轴承9-3提供气体;
配重块9-2,用于将模拟系统的质心配置在气浮球轴承9-3的球心处,消除重力矩影响;
气浮球轴承9-3倒置使用,用于实现气浮球轴承偏航方向的连续转动,俯仰和滚转方向不小于60度运动。
六自由度仿真平台3在上述子系统的支持下,能够实现竖直方向动力学模拟和三自由度位置以及三自由度姿态的运动学模拟。
综上,应用多套六自由度仿真平台3能够实现多航天器的六自由度微重力地面模拟。此外,还可以通过规划跟踪路径实现多航天器交错式连续运动。
进一步的,运动测量系统4采用多个运动相机组合形式,拍摄范围覆盖整个运动空间。
一种多目标六自由度微重力地面模拟系统的使用方法,应用于上述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,
首先,在地面上搭建高刚度龙门架1,在高刚度龙门架1下方安装离散式导向系统2,确定运动空间。然后,安装、标定并调整运动测量系统4,使得整个高刚度龙门架1下的可利用运动空间均被运动测量系统4的测量范围覆盖,确保每个六自由度仿真平台运动时均可由不少于3个运动相机捕捉,能够进行有效的位姿信息测量。接着,将多个载荷10悬挂在多个六自由度仿真平台下方,调整恒力保持系统7结构,提供竖直方向上微重力环境。
当载荷10发生机动后,首先由运动测量系统4测量载荷10位姿信息,控制系统根据反馈的位姿信息主动控制二维主动运动系统5在离散式导向系统2内运动,使得载荷的正上方能够位于二维被动跟踪系统7可适应范围内。二维被动跟踪系统7通过气浮轴承在气浮导轨上滑动,被动适应保证悬吊点在载荷正上方附近。同时,竖直升降系统6进行竖直方向升降运动跟踪,使得绳索处于拉紧状态。至此,完成载荷的三自由度位置运动学跟踪。
进一步的,由恒力保持系统8的组合弹簧被动适应机构卸去大部分重力,通过力敏感器测量出残余力大小,再由并联的主动补偿机构补偿残余力,保持载荷处于微重力环境。接着,三自由度转动系统9通过气浮球轴承被动适应载荷角度运动。至此,可实现单目标的六自由度运动学仿真和竖直方向上的动力学模拟。
当存在多个目标载荷同时进行运动时,各个六自由度仿真平台3分别进行位姿保持,如若发生交错运动,由二维主动运动系统5规划行动轨迹,完成离散式交错运动。在上方运动平台不发生干涉的情况下,二维主动运动系统5能够使得悬吊点仍处于二维被动跟踪系统7的可适应运动范围内,由二维被动跟踪系统7被动运动使得悬吊点位于载荷正上方附近,完成二维平面内连续式交错运动。竖直升降系统、恒力保持系统、三自由度转动系统的运动形式同单个载荷任务相同。最终,实现多目标六自由度运动微重力地面模拟。
以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述多目标六自由度微重力地面模拟系统包括高刚度龙门架(1)、离散式导向系统(2)、六自由度仿真平台(3)、运动测量系统(4),
所述高刚度龙门架(1)固定在地面上,所述离散式导向系统(2)安装在所述高刚度龙门架(1)的下表面上,所述六自由度仿真平台(3)与所述离散式导向系统(2)滑动连接,且悬吊于所述离散式导向系统(2)的下方,所述运动测量系统(4)安装在所述高刚度龙门架(1)的四周。
2.根据权利要求1所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,
所述高刚度龙门架(1),用于为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统提供基础运动平台;
所述离散式导向系统(2),用于为所述六自由度仿真平台(3)提供运动支持和导向;
所述六自由度仿真平台(3),用于作为整个多目标六自由度微重力地面模拟系统的运动单元;
所述运动测量系统(4),用于测量所述六自由度仿真平台(3)中载荷(10)的六自由度位姿。
3.根据权利要求2所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述离散式导向系统(2)包括若干支撑块,所述若干支撑块固定安装在所述高刚度龙门架(1)的下表面上,形成供所述六自由度仿真平台(3)运动的轨道。
4.根据权利要求3所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,每个支撑块包括连接块(2-1)、滑轮(2-2)、导向槽(2-3)和承重板(2-4),所述连接块(2-1)固定连接在高刚度龙门架(1)的下表面上,所述连接块(2-1)的下表面固定连接于所述承重板(2-4)的上表面上,所述滑轮(2-2)设有两层,由内至外设置在所述连接块(2-1)的周围,两层滑轮(2-2)间形成所述导向槽(2-3)。
5.根据权利要求4所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述连接块(2-1)为永磁体,所述高刚度龙门架(1)为能被永磁体吸引的材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述六自由度仿真平台(3)包括二维主动运动系统(5)、竖直升降系统(6)、二维被动跟踪系统(7)、恒力保持系统(8)、三自由度转动系统(9)和载荷(10);
所述二维主动运动系统(5)与离散式导向系统(2)滑动相连,所述二维被动跟踪系统(7)通过连接杆连接在所述二维主动运动系统(5)下方,所述竖直升降系统(6)安装在所述二维被动跟踪系统(7)上,所述竖直升降系统(6)下方依次悬吊所述恒力保持系统(8)、三自由度转动系统(9)和载荷(10)。
7.根据权利要求6所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述二维主动运动系统(5)包括全向轮(5-1)、电机支座(5-2)、控制系统(5-3)、直流电机(5-4)和移动单元底板(5-5),所述控制系统(5-3)安装在所述移动单元底板(5-5)中心的上表面,所述电机支座(5-4)呈四个方向均匀设置在所述控制系统(5-3)的周围,所述直流电机(5-4)安装在所述电机支座(5-2)上,所述直流电机(5-4)的转子固定连接所述全向轮(5-1),所述移动单元底板(5-5)对应全向轮(5-1)处设有镂空,所述全向轮(5-1)的部分轮体通过所述镂空穿至所述移动单元底板(5-5)的下方。
8.根据权利要求6所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述二维被动跟踪系统(7)包括横向导向杆(7-1)、横向气浮轴承(7-2)、连接套(7-3)、纵向导向杆(7-4)、纵向气浮轴承(7-5)、连接块(7-6)和承重板(7-7),所述纵向导向杆(7-4)通过所述连接套(7-3)连接所述横向气浮轴承(7-2),所述横向气浮轴承(7-2)套接在所述横向导向杆(7-1)上,所述横向导向杆(7-1)的两端连接连接杆,所述纵向气浮轴承(7-5)套接在所述纵向导向杆(7-4)上,所述承重板(7-7)通过所述连接块(7-6)固定安装于所述纵向气浮轴承(7-5)上。
9.根据权利要求2所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,所述运动测量系统(4)采用多个运动相机组合形式,拍摄范围覆盖整个运动空间。
10.一种多目标六自由度微重力地面模拟系统的使用方法,应用于权利要求1-7任一项所述的一种多目标六自由度微重力地面模拟系统,其特征在于,
首先,在地面上搭建高刚度龙门架(1),在高刚度龙门架(1)下方安装离散式导向系统(2),确定运动空间。然后,安装、标定并调整运动测量系统(4),使得整个高刚度龙门架(1)下的可利用运动空间均被运动测量系统(4)的测量范围覆盖,确保每个六自由度仿真平台运动时均可由不少于3个运动相机捕捉,能够进行有效的位姿信息测量。接着,将多个载荷(10)悬挂在多个六自由度仿真平台下方,调整恒力保持系统(7)结构,提供竖直方向上微重力环境。
当载荷(10)发生机动后,首先由运动测量系统(4)测量载荷(10)位姿信息,控制系统根据反馈的位姿信息主动控制二维主动运动系统(5)在离散式导向系统(2)内运动,使得载荷的正上方能够位于二维被动跟踪系统(7)可适应范围内。二维被动跟踪系统(7)通过气浮轴承在气浮导轨上滑动,被动适应保证悬吊点在载荷正上方附近。同时,竖直升降系统(6)进行竖直方向升降运动跟踪,使得绳索处于拉紧状态。至此,完成载荷的三自由度位置运动学跟踪。
进一步的,由恒力保持系统(8)的组合弹簧被动适应机构卸去大部分重力,通过力敏感器测量出残余力大小,再由并联的主动补偿机构补偿残余力,保持载荷处于微重力环境。接着,三自由度转动系统(9)通过气浮球轴承被动适应载荷角度运动。至此,可实现单目标的六自由度运动学仿真和竖直方向上的动力学模拟。
当存在多个目标载荷同时进行运动时,各个六自由度仿真平台(3)分别进行位姿保持,如若发生交错运动,由二维主动运动系统(5)规划行动轨迹,完成离散式交错运动。在上方运动平台不发生干涉的情况下,二维主动运动系统(5)能够使得悬吊点仍处于二维被动跟踪系统(7)的可适应运动范围内,由二维被动跟踪系统(7)被动运动使得悬吊点位于载荷正上方附近,完成二维平面内连续式交错运动。竖直升降系统、恒力保持系统、三自由度转动系统的运动形式同单个载荷任务相同。最终,实现多目标六自由度运动微重力地面模拟。
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