一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，包括兩個磁場模擬器；每個磁場模擬器包括兩個正交的超導(dǎo)線圈、氣浮臺、線圈驅(qū)動裝置、冷凝器和電源；進行弱引力模擬時，電源給磁場模擬器提供直流電，并通過線圈驅(qū)動裝置將電流引入超導(dǎo)線圈，通電后的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場；當(dāng)兩個磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場強度恒定且極性相同時，通過不斷改變第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的位置關(guān)系來模擬探測器與小行星在著陸過程中不同距離下的弱引力大小和方向，本發(fā)明采用三自由度氣浮臺和六自由度氣浮臺相對位置和姿態(tài)協(xié)同控制的方法實現(xiàn)不同距離下小行星弱引力大小和方向的模擬，實現(xiàn)了對小行星不規(guī)則弱引力場地面真實復(fù)現(xiàn)。
【專利說明】一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于深空探測導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)及方法，可以在地面實現(xiàn)小行星不規(guī)則弱引力的模擬，主要應(yīng)用于深空探測器小行星軟著陸的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制的地面物理仿真驗證。
【背景技術(shù)】
[0002]小行星探測是深空探測中的一個重要研究領(lǐng)域，小行星探測是指通過發(fā)射探測器攜帶各類科學(xué)探測儀器近距離飛越、繞軌道運行、撞擊、軟著陸等方式對小行星進行觀測研究。小行星軟著陸是指深空探測器在GNC系統(tǒng)的自主引導(dǎo)下，通過減速和姿態(tài)控制系統(tǒng)的調(diào)整，讓探測器以一定相對速度和姿態(tài)在預(yù)計的著陸區(qū)域?qū)崿F(xiàn)軟著陸。
[0003]由于針對小行星的形狀、質(zhì)量、密度、引力場和自旋等觀測信息少，需要通過地面物理仿真，對小行星探測器自主GNC技術(shù)進行充分仿真驗證。也是我國未來實施小行星探測工程乃至深空探測計劃的迫切需要。地面仿真的難點主要在于小行星不規(guī)則弱引力的模擬。國外已經(jīng)成功實施的小行星軟著陸任務(wù)包括美國的Near探測器，日本的隼鳥號探測器和歐洲的Rosetta探測器，Rosetta探測器在地面進行了基于垂向下降機構(gòu)的附著彗星過程的導(dǎo)航試驗，隼鳥號探測器只在地面采用六自由度機械手驗證了探測器的位置和姿態(tài)控制算法，而小行星軟著陸是Near探測器的擴展任務(wù)，僅僅進行了數(shù)學(xué)仿真試驗，這些試驗僅僅是對探測器的動力學(xué)和運動學(xué)模擬，而對小行星自身特性的模擬，難以滿足小行星精確軟著陸GNC算法仿真驗證的需要，因此急需一種小行星不規(guī)則弱引力地面模擬方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了對小行星不規(guī)則弱引力的模擬，提高了深空探測小行星軟著陸過程的自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面全物理仿真驗證的真實性和可靠性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)包括:第一磁場模擬器和第二磁場模擬器；
[0006]第一磁場模擬器包括第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、三自由度氣浮臺、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源；
[0007]第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源均安裝在三自由度氣浮臺上；
[0008]第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈均采用B1-2223線材制作，并放置于在充滿液體氮氣的第一冷凝器中，第一冷凝器保證第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈周圍的環(huán)境溫度為77K ；
[0009]第一電源給第一磁場模擬器提供直流電，并通過第一線圈驅(qū)動裝置將電流引入第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈，通電后的第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場；[0010]第二磁場模擬器包括第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、六自由度氣浮臺、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源；
[0011]第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源均安裝在六自由度氣浮臺上；
[0012]第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈均采用B1-2223線材制作，并放置于在充滿液體氮氣的第二冷凝器中，第二冷凝器保證第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈周圍的環(huán)境溫度為77K ；
[0013]第二電源給第二磁場模擬器提供直流電，并通過第二線圈驅(qū)動裝置將電流引入第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈，通電后的第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場。
[0014]所述三自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面、氣浮臺本體、第一氣足、第二氣足和第三氣足；氣浮臺本體為圓柱體結(jié)構(gòu)，氣浮臺桌面固定連接在氣浮臺本體頂端，第一氣足、第二氣足和第三氣足固定安裝在氣浮臺本體底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
[0015]所述六自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面、氣浮球軸承、球碗、氣浮直線軸承、氣浮臺本體、第一氣足、第二氣足和第三氣足；氣浮臺本體為圓柱體結(jié)構(gòu)，氣浮直線軸承固定安裝在氣浮臺本體頂部，球碗固定安裝在氣浮直線軸承頂部，氣浮球軸承位于球碗內(nèi)，氣浮臺桌面固定連接在氣浮球軸承上，第一氣足、第二氣足和第三氣足固定安裝在氣浮臺本體底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
[0016]所述第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈正交安裝在三自由度氣浮臺上，第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈正交安裝在六自由度氣浮臺上。
[0017]第一磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場和第二磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場強度恒定且極性相同，兩個磁場模擬器產(chǎn)生的斥力與兩個氣浮臺之間距離的平方成反比，與小行星與探測器之間的弱弓I力場特性一致。
[0018]所述第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的距離小于等于2.0m，通過改變第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的距離模擬著陸過程中探測器與小行星在不同距離條件下的弱引力大小。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0020](I)本發(fā)明采用兩個正交的超導(dǎo)線圈來模擬電磁場，通過控制線圈的電流強度實現(xiàn)磁場大小和方向的變化，從而實時模擬小行星不規(guī)則弱引力，模擬精度高、響應(yīng)速度快、試驗可操作性強；
[0021](2)本發(fā)明采用三自由度氣浮臺和六自由度氣浮臺相對位置和姿態(tài)協(xié)同控制的方法、實現(xiàn)不同距離下小行星弱引力大小和方向的模擬，實現(xiàn)了小行星不規(guī)則弱引力場的真實復(fù)現(xiàn)，提高了深空探測小行星軟著陸過程的自主導(dǎo)航與控制技術(shù)地面全物理仿真驗證的真實性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為三自由度氣浮臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3為六自由度氣浮臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?！揪唧w實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0026]本發(fā)明提供了一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)了地面不規(guī)則小行星對探測器弱引力的真實模擬。
[0027]如圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖中可知，本系統(tǒng)包括:第一磁場模擬器和第二磁場模擬器；
[0028]其中第一磁場模擬器包括第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、三自由度氣浮臺、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源；第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源均安裝在三自由度氣浮臺上；
[0029]如圖2所示為本發(fā)明中使用的三自由度氣浮臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖中可知，三自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面1、氣浮臺本體2、第一氣足3、第二氣足4和第三氣足5 ;氣浮臺本體2為圓柱形結(jié)構(gòu)，氣浮臺桌面I固定連接在氣浮臺本體2頂端，第一氣足3、第二氣足4和第三氣足5固定安裝在氣浮臺本體2底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
[0030]本發(fā)明中的三自由度氣浮臺具備兩個平動自由度和繞自身鉛垂軸轉(zhuǎn)動自由度，氣浮臺本體的底部裝有三個氣足，實現(xiàn)對空間微重力環(huán)境的模擬。
[0031]第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈以正交的方式安裝在三自由度氣浮臺上，實現(xiàn)對小行星不規(guī)則弱引力的模擬，電源對超導(dǎo)線圈的供電，冷凝器實現(xiàn)對超導(dǎo)線圈的溫度控制，線圈驅(qū)動裝置為超導(dǎo)線圈提供電流引線。
[0032]第二磁場模擬器包括第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、六自由度氣浮臺、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源；第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源均安裝在六自由度氣浮臺上；
[0033]如圖3所示為本發(fā)明中使用的六自由度氣浮臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖中可知，六自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面1、氣浮球軸承2、球碗3、氣浮直線軸承4、氣浮臺本體5、第一氣足6、第二氣足7和第三氣足8 ;氣浮臺本體5為圓柱形結(jié)構(gòu)，氣浮直線軸承4固定安裝在氣浮臺本體5頂部，球碗3固定安裝在氣浮直線軸承4頂部，氣浮球軸承2位于球碗3內(nèi)，氣浮臺桌面I固定連接在氣浮球軸承2上，第一氣足6、第二氣足7和第三氣足8固定安裝在氣浮臺本體5底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
[0034]本發(fā)明中的六自由度氣浮臺臺，具備三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度，模擬探測器在空間的六自由度特性。氣浮臺本體的底部裝有三個氣足，實現(xiàn)對空間微重力環(huán)境的模擬。
[0035]第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈以正交的方式安裝在三自由度氣浮臺上，實現(xiàn)對小行星不規(guī)則弱引力的模擬，電源對超導(dǎo)線圈的供電，冷凝器實現(xiàn)對超導(dǎo)線圈的溫度控制，線圈驅(qū)動裝置為超導(dǎo)線圈提供電流引線。
[0036]第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈均采用B1-2223線材制作，并放置于在充滿液體氮氣的冷凝器中，冷凝器保證第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈周圍的環(huán)境溫度為77K ;實現(xiàn)超導(dǎo)線圈在大電流下穩(wěn)定運行，克服由于電源和線圈驅(qū)動裝置與外界環(huán)境的換熱和常規(guī)導(dǎo)線的焦耳熱。電源給超導(dǎo)線圈保證小電壓情況下供給超導(dǎo)線圈的大電流，線圈驅(qū)動裝置，由于超導(dǎo)線圈的電阻為零，超導(dǎo)線圈的壓降為零，通過線圈驅(qū)動裝置實現(xiàn)對超導(dǎo)線圈引入電流。[0037]進行弱引力模擬時，第一電源給第一磁場模擬器提供直流電，并通過第一線圈驅(qū)動裝置將電流引入第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈，通電后的第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場；第二電源給第二磁場模擬器提供直流電，并通過第二線圈驅(qū)動裝置將電流引入第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈，通電后的第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場；
[0038]當(dāng)?shù)谝淮艌瞿M器和第二磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場強度恒定且極性相同時，兩個磁場產(chǎn)生斥力與兩個氣浮臺距離的平方成反比，與小行星的弱引力場特性一致；通過不斷改變第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的距離來模擬探測器與小行星在著陸過程中不同距離下的弱引力大小，通過不斷改變第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的相對姿態(tài)來模擬探測器與小行星在著陸過程中不同軌道下的弱引力方向。
[0039]由于超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場隨兩氣浮臺距離的增大急速衰減，在2.5m處基本上等于零，所以為了產(chǎn)生小行星的引力作用，第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的距離只能保持在2m范圍內(nèi)。
[0040]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于包括:第一磁場模擬器和第二磁場模擬器； 第一磁場模擬器包括第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、三自由度氣浮臺、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源； 第一超導(dǎo)線圈、第二超導(dǎo)線圈、第一線圈驅(qū)動裝置、第一冷凝器和第一電源均安裝在三自由度氣浮臺上； 第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈均采用B1-2223線材制作，并放置于在充滿液體氮氣的第一冷凝器中，第一冷凝器保證第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈周圍的環(huán)境溫度為77K ； 第一電源給第一磁場模擬器提供直流電，并通過第一線圈驅(qū)動裝置將電流引入第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈，通電后的第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場； 第二磁場模擬器包括第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、六自由度氣浮臺、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源； 第三超導(dǎo)線圈、第四超導(dǎo)線圈、第二線圈驅(qū)動裝置、第二冷凝器和第二電源均安裝在六自由度氣浮臺上； 第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈均采用B1-2223線材制作，并放置于在充滿液體氮氣的第二冷凝器中，第二冷凝器保證第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈周圍的環(huán)境溫度為77K ； 第二電源給第二磁場模擬器提供直流電，并通過第二線圈驅(qū)動裝置將電流引入第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈，通電后的第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈產(chǎn)生電磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述三自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面(I)、氣浮臺本體(2)、第一氣足(3)、第二氣足(4)和第三氣足(5);氣浮臺本體(2)為圓柱體結(jié)構(gòu)，氣浮臺桌面(I)固定連接在氣浮臺本體(2)頂端，第一氣足(3)、第二氣足(4)和第三氣足(5)固定安裝在氣浮臺本體2底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述六自由度氣浮臺包括:氣浮臺桌面(I)、氣浮球軸承(2)、球碗(3)、氣浮直線軸承(4)、氣浮臺本體(5)、第一氣足(6)、第二氣足(7)和第三氣足(8);氣浮臺本體(5)為圓柱體結(jié)構(gòu)，氣浮直線軸承(4)固定安裝在氣浮臺本體(5)頂部，球碗(3)固定安裝在氣浮直線軸承(4)頂部，氣浮球軸承(2)位于球碗(3)內(nèi)，氣浮臺桌面(I)固定連接在氣浮球軸承(2)上，第一氣足(6)、第二氣足(7)和第三氣足(8)固定安裝在氣浮臺本體(5)底部同半徑圓周上，各氣足之間的弧度為120度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述第一超導(dǎo)線圈和第二超導(dǎo)線圈正交安裝在三自由度氣浮臺上，第三超導(dǎo)線圈和第四超導(dǎo)線圈正交安裝在六自由度氣浮臺上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于:第一磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場和第二磁場模擬器產(chǎn)生的電磁場強度恒定且極性相同，兩個磁場模擬器產(chǎn)生的斥力與兩個氣浮臺之間距離的平方成反比，與小行星與探測器之間的弱引力場特性一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一 種用于深空探測導(dǎo)航控制仿真試驗的弱引力模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述第一磁場模擬器和第二磁場模擬器之間的距離小于等于2.0m，通過改變第一磁場模擬 器和第二磁場模擬器之間的距離模擬著陸過程中探測器與小行星在不同距離條件下的弱引力大小。
【文檔編號】G05B17/02GK103885342SQ201410126463
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】黃翔宇, 唐強, 王大軼, 朱志斌, 李茂登 申請人:北京控制工程研究所