[发明专利]一种用于深空探测导航控制仿真试验的弱引力模拟系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于深空探测导航、制导和控制控制仿真试验的弱引力模拟系统及方法，可以在地面实现小行星不规则弱引力的模拟，主要应用于深空探测器小行星软着陆的导航、制导和控制的地面物理仿真验证。

背景技术

小行星探测是深空探测中的一个重要研究领域，小行星探测是指通过发射探测器携带各类科学探测仪器近距离飞越、绕轨道运行、撞击、软着陆等方式对小行星进行观测研究。小行星软着陆是指深空探测器在GNC系统的自主引导下，通过减速和姿态控制系统的调整，让探测器以一定相对速度和姿态在预计的着陆区域实现软着陆。

由于针对小行星的形状、质量、密度、引力场和自旋等观测信息少，需要通过地面物理仿真，对小行星探测器自主GNC技术进行充分仿真验证。也是我国未来实施小行星探测工程乃至深空探测计划的迫切需要。地面仿真的难点主要在于小行星不规则弱引力的模拟。国外已经成功实施的小行星软着陆任务包括美国的Near探测器，日本的隼鸟号探测器和欧洲的Rosetta探测器，Rosetta探测器在地面进行了基于垂向下降机构的附着彗星过程的导航试验，隼鸟号探测器只在地面采用六自由度机械手验证了探测器的位置和姿态控制算法，而小行星软着陆是Near探测器的扩展任务，仅仅进行了数学仿真试验，这些试验仅仅是对探测器的动力学和运动学模拟，而对小行星自身特性的模拟，难以满足小行星精确软着陆GNC算法仿真验证的需要，因此急需一种小行星不规则弱引力地面模拟方法和系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于深空探测导航控制仿真试验的弱引力模拟系统，实现了对小行星不规则弱引力的模拟，提高了深空探测小行星软着陆过程的自主导航与控制技术地面全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：一种用于深空探测导航控制仿真试验的弱引力模拟系统包括：第一磁场模拟器和第二磁场模拟器；

第一磁场模拟器包括第一超导线圈、第二超导线圈、三自由度气浮台、第一线圈驱动装置、第一冷凝器和第一电源；

第一超导线圈、第二超导线圈、第一线圈驱动装置、第一冷凝器和第一电源均安装在三自由度气浮台上；

第一超导线圈和第二超导线圈均采用Bi-2223线材制作，并放置于在充满液体氮气的第一冷凝器中，第一冷凝器保证第一超导线圈和第二超导线圈周围的环境温度为77K；

第一电源给第一磁场模拟器提供直流电，并通过第一线圈驱动装置将电流引入第一超导线圈和第二超导线圈，通电后的第一超导线圈和第二超导线圈产生电磁场；

第二磁场模拟器包括第三超导线圈、第四超导线圈、六自由度气浮台、第二线圈驱动装置、第二冷凝器和第二电源；

第三超导线圈、第四超导线圈、第二线圈驱动装置、第二冷凝器和第二电源均安装在六自由度气浮台上；

第三超导线圈和第四超导线圈均采用Bi-2223线材制作，并放置于在充满液体氮气的第二冷凝器中，第二冷凝器保证第三超导线圈和第四超导线圈周围的环境温度为77K；

第二电源给第二磁场模拟器提供直流电，并通过第二线圈驱动装置将电流引入第三超导线圈和第四超导线圈，通电后的第三超导线圈和第四超导线圈产生电磁场。

所述三自由度气浮台包括：气浮台桌面、气浮台本体、第一气足、第二气足和第三气足；气浮台本体为圆柱体结构，气浮台桌面固定连接在气浮台本体顶端，第一气足、第二气足和第三气足固定安装在气浮台本体底部同半径圆周上，各气足之间的弧度为120度。

所述六自由度气浮台包括：气浮台桌面、气浮球轴承、球碗、气浮直线轴承、气浮台本体、第一气足、第二气足和第三气足；气浮台本体为圆柱体结构，气浮直线轴承固定安装在气浮台本体顶部，球碗固定安装在气浮直线轴承顶部，气浮球轴承位于球碗内，气浮台桌面固定连接在气浮球轴承上，第一气足、第二气足和第三气足固定安装在气浮台本体底部同半径圆周上，各气足之间的弧度为120度。

所述第一超导线圈和第二超导线圈正交安装在三自由度气浮台上，第三超导线圈和第四超导线圈正交安装在六自由度气浮台上。

第一磁场模拟器产生的电磁场和第二磁场模拟器产生的电磁场强度恒定且极性相同，两个磁场模拟器产生的斥力与两个气浮台之间距离的平方成反比，与小行星与探测器之间的弱引力场特性一致。

所述第一磁场模拟器和第二磁场模拟器之间的距离小于等于2.0m，通过改变第一磁场模拟器和第二磁场模拟器之间的距离模拟着陆过程中探测器与小行星在不同距离条件下的弱引力大小。