[发明专利]月球软着陆制导、导航与控制半物理仿真试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种月球软着陆制导、导航与控制(GNC)半物理仿真试验系统，可用于对月球软着陆GNC方案和算法的验证。

背景技术

二十世纪六七十年代，美国的Apollo和Surveyor以及苏联的Luna先后多次实现了月球软着陆探测任务。进入二十一世纪，世界航天领域再次掀起月球探测高潮，如何设计一套月球软着陆制导、导航与控制方案并使其得以有效验证便成为月球软着陆成功与否的关键。随着数学仿真技术的进一步发展，目前基于常规敏感器的地球卫星的GNC算法大都可以通过数学仿真得以有效验证。而对于以月球为中心引力体的软着陆探测来说，其重力场与周围环境以及导航手段等都与地球卫星有显著差异。因此，需要考虑通过半实物或者全实物仿真系统来对GNC方案和算法加以验证。Bellman和Matranga为Apollo计划设计了一种称为LLRV(Lunar Landing Research Vehicle)的全实物仿真验证系统。该系统通过一个喷气发动机提供5/6的自身重力以模拟月球重力环境，由其他推力发动机充当软着陆制动发动机，用来验证几百米以下最终着陆过程的GNC方案。但由于该系统的主要任务是为宇航员提供一个地面手动操作训练平台，因而其包括重量和推力系统在内的很多部件都与Apollo登月舱不同；显然，该试验系统也不同于自主实现的月球软着陆GNC方案验证。在研制费用方面，当时两个LLRV的研制费用就高达360万美元，且在随后的改进型LLTV研制中，三个LLTV的研制费用更高达750万美元。而在关键技术攻关和方案设计已完成的前提下，LLRV的制造也用了14个月。预计于2007年发射的日本“月神”(SELenological and Engineering Explorer，SELENE)软着陆计划同样采用了一个全实物的飞行验证平台(Fly Test Bed，FTB)来对GNC算法和硬件进行验证。该试验系统借鉴了Apollo的LLRV方案，通过一个喷气发动机模拟月球重力环境，其验证范围也是距离月面几百米以下的最终着陆过程。该试验验证了包括测距、测速以及IMU等导航敏感器，但却没有验证悬停过程的三维成像及平移避障控制策略。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种月球软着陆制导、导航与控制半物理仿真试验系统，该系统将最为关键的外部导航敏感器作为真实部件置于控制系统回路中，而其他的常规敏感器和执行机构以及着陆器动力学与运动学则采用成熟的数学模型来代替，在降低研制费用的同时可使GNC方案得到更真实有效地验证。

本发明的技术解决方案是：月球软着陆制导、导航与控制半物理仿真试验系统，其特征在于包括：三维平动模拟模块、三维转动模拟模块、控制计算机4、仿真计算机11及地面测试和总控计算机系统5，其中：

三维平动模拟模块，用于模拟月球的地表特征，并根据地面测试和总控计算机系统5发出的控制指令模拟着陆器相对月面的三维平动；

三维转动模拟模块，用于模拟着陆器的飞行姿态，根据控制计算机4传来的上断电指令进行工作，对着陆器的六自由度运动进行测量，获取着陆器相对月面的视线距离和速度信息，着陆器自身的姿态角和姿态角速度信息以及月面的三维图像信息；将所述视线距离、着陆器相对月面的速度和月面三维图像信息传给控制计算机4，同时将所述姿态角和姿态角速度信息传给仿真计算机11；根据地面测试和总控计算机系统5发出的控制指令进行三维转动；

控制计算机4，接收地面测试和总控计算机系统5发出的遥控指令，控制三维转动模拟模块工作并获取距离、速度和图像测量信息，从仿真计算机11获取比力和陀螺角速度测量信息，根据所述测量信息进行GNC计算，得到推进系统控制指令并传给仿真计算机11；将获取的测量信息和计算得出的控制信息作为遥测数据传给地面测试和总控计算机系统5；

仿真计算机11，接收地面测试和总控计算机系统5发出的遥控指令，从三维转动模拟模块获取姿态角和姿态角速度信息，经陀螺测量模型计算得出陀螺角速度测量信息，从控制计算机4接收推进系统控制指令，经仿真计算得出比力信息、推进系统参数和位置姿态信息，将所述比力和陀螺角速度测量信息传给控制计算机4，将所述推进系统参数和位置姿态信息传给地面测试和总控计算机系统5；

地面测试和总控计算机系统5，向控制计算机4和仿真计算机11发出遥控指令，从控制计算机4接收遥测数据并进行数据的存储、共享和实时显示，从仿真计算机11接收推进系统参数和位置姿态信息，并根据其中的位置姿态信息给出平动和转动控制指令，控制三维平动模拟模块和三维转动模拟模块按要求进行运动。