[發(fā)明專利]一種小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510977475.0
• 申請(qǐng)日: 2015-12-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105631099B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 阮曉鋼;肖堯;張曉平;黃靜;朱曉慶;陳志剛;林佳;柴潔;陳巖;伊朝陽(yáng);劉冰;李誠(chéng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開(kāi)了一種小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括探測(cè)器參數(shù)編輯器、小天體重力計(jì)算引擎、動(dòng)力學(xué)模擬引擎、API綁定層；小天體重力計(jì)算引擎根據(jù)目標(biāo)天體的三位多面體模型或者球諧系數(shù)參數(shù)，完成探測(cè)器當(dāng)前位置重力加速度的計(jì)算；動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎根據(jù)當(dāng)前的參數(shù)配置生成探測(cè)器的3自由度/6自由度動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)API接口綁定層傳入的發(fā)動(dòng)機(jī)控制量、星歷數(shù)據(jù)庫(kù)、天體參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)和小天體重力計(jì)算引擎，完成探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)計(jì)算，并通過(guò)API接口綁定層返回給客戶端程序，最終完成了小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，使客戶端可以通過(guò)不同的語(yǔ)言接口對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，屬于基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字仿真系統(tǒng)。

技術(shù)背景

小天體包括小行星、彗星、行星的小衛(wèi)星等。小天體探測(cè)已經(jīng)成為深空探測(cè)的主要發(fā)展方向，探測(cè)器在小天體實(shí)現(xiàn)著陸已經(jīng)成為未來(lái)深空探測(cè)的重要任務(wù)和課題。但是，小天體形狀不規(guī)則、引力場(chǎng)相對(duì)較弱但是復(fù)雜、物理參數(shù)不確定等因素，導(dǎo)致小天體探測(cè)著陸導(dǎo)航方案的設(shè)計(jì)與行星著陸有很大的區(qū)別，研究人員在設(shè)計(jì)著陸導(dǎo)航方案的過(guò)程中，必須借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行著陸過(guò)程的數(shù)字仿真，以驗(yàn)證方案的有效性。

目前已有的動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)中，并沒(méi)有專門(mén)針對(duì)小行星小天體探測(cè)器著陸的動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，Adams主要是為了完成機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，并不適用與小天體探測(cè)器著陸的動(dòng)力學(xué)模擬仿真；Matlab的Aerospace Blockset、Aerospace Toolbox主要是完成飛機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)行星探測(cè)器的導(dǎo)航與制導(dǎo)也有部分的模塊支持，但是沒(méi)有探測(cè)器的六自由度動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)模塊，也沒(méi)有小天體的重力模型支持，所以相關(guān)研究人員需要做大量的時(shí)間和工作才能使用Matlab/Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)小天體探測(cè)器的著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)相關(guān)仿真。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，借助于該系統(tǒng)，相關(guān)研究人員可以快速的生成小天體探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)一步小天體探測(cè)器著陸目標(biāo)天體的數(shù)字仿真，已驗(yàn)證導(dǎo)航與制導(dǎo)算法的有效性。

該模擬系統(tǒng)主要包括：探測(cè)器參數(shù)編輯器、小天體重力計(jì)算引擎、動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎、API綁定層(C/C++、Python、Matlab、Fortran、Java)；探測(cè)器參數(shù)編輯器快速完成系統(tǒng)各參數(shù)配置，包括探測(cè)器機(jī)體坐標(biāo)系的確定、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩陣的計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)配置、天體固連坐標(biāo)系的確定、著陸坐標(biāo)系的確定；小天體重力計(jì)算引擎根據(jù)目標(biāo)天體的三位多面體模型或者球諧系數(shù)參數(shù)，完成探測(cè)器當(dāng)前位置重力加速度的計(jì)算；動(dòng)力學(xué)引擎根據(jù)當(dāng)前的參數(shù)配置自動(dòng)生成探測(cè)器的3自由度/6自由度動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)API接口綁定層傳入的發(fā)動(dòng)機(jī)控制量、星歷數(shù)據(jù)庫(kù)、天體參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)和小天體重力計(jì)算引擎，完成探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)計(jì)算，并通過(guò)API接口綁定層返回給客戶端程序，最終完成了小天體探測(cè)器著陸動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。

探測(cè)器參數(shù)編輯器的基本原理是借助于計(jì)算機(jī)三維圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)，通過(guò)小天體三維多面體模型或者探測(cè)器的三維模型快速確定探測(cè)器的各項(xiàng)參數(shù)和相關(guān)坐標(biāo)系，其配置過(guò)程如下：

步驟1：導(dǎo)入小天體三維多面體模型，根據(jù)三維多面體模型和天體密度參數(shù)，計(jì)算小天體的質(zhì)心、旋轉(zhuǎn)主軸，研究人員能夠在小天體的三維模型上確定天體固連坐標(biāo)系和著陸坐標(biāo)系；

步驟2：導(dǎo)入探測(cè)器的三維模型，根據(jù)模型和各部件材質(zhì)、密度參數(shù)計(jì)算探測(cè)器的質(zhì)心、最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方向，研究人員在探測(cè)器的三維模型上確定機(jī)體坐標(biāo)系，系統(tǒng)進(jìn)而計(jì)算出探測(cè)器字機(jī)體坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩陣；

步驟3：借助探測(cè)器的三維模型，配置各發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，包括推力大小、推力方向、作用點(diǎn)、比沖和燃耗比；

步驟4：保存上述所有參數(shù)到參數(shù)配置文件。

注：研究人員通過(guò)參數(shù)編輯器各參數(shù)設(shè)置面板對(duì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)沒(méi)有相應(yīng)的小天體三維多面體模型或者探測(cè)器的三維模型時(shí)，能夠通過(guò)面板完成全部參數(shù)的手動(dòng)輸入。