[发明专利]一种小天体探测器着陆动力学模拟系统

说明书

本发明公开了一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，该系统包括探测器参数编辑器、小天体重力计算引擎、动力学模拟引擎、API绑定层；小天体重力计算引擎根据目标天体的三位多面体模型或者球谐系数参数，完成探测器当前位置重力加速度的计算；动力学计算引擎根据当前的参数配置生成探测器的3自由度/6自由度动力学模型，并根据API接口绑定层传入的发动机控制量、星历数据库、天体参数数据库相关数据和小天体重力计算引擎，完成探测器的运动和姿态计算，并通过API接口绑定层返回给客户端程序，最终完成了小天体探测器着陆动力学模拟计算，使客户端可以通过不同的语言接口对模拟系统进行调用，传输相关数据。

技术领域

本发明涉及一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，属于基于计算机技术的数字仿真系统。

技术背景

小天体包括小行星、彗星、行星的小卫星等。小天体探测已经成为深空探测的主要发展方向，探测器在小天体实现着陆已经成为未来深空探测的重要任务和课题。但是，小天体形状不规则、引力场相对较弱但是复杂、物理参数不确定等因素，导致小天体探测着陆导航方案的设计与行星着陆有很大的区别，研究人员在设计着陆导航方案的过程中，必须借助于计算机技术进行着陆过程的数字仿真，以验证方案的有效性。

目前已有的动力学模拟系统中，并没有专门针对小行星小天体探测器着陆的动力学模拟系统，Adams主要是为了完成机械系统动力学自动分析，并不适用与小天体探测器着陆的动力学模拟仿真；Matlab的Aerospace Blockset、Aerospace Toolbox主要是完成飞机的飞行动力学仿真，对行星探测器的导航与制导也有部分的模块支持，但是没有探测器的六自由度动力学模型相关模块，也没有小天体的重力模型支持，所以相关研究人员需要做大量的时间和工作才能使用Matlab/Simulink来实现小天体探测器的着陆导航与制导相关仿真。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，借助于该系统，相关研究人员可以快速的生成小天体探测器的动力学模型，并进一步小天体探测器着陆目标天体的数字仿真，已验证导航与制导算法的有效性。

该模拟系统主要包括：探测器参数编辑器、小天体重力计算引擎、动力学计算引擎、API绑定层(C/C++、Python、Matlab、Fortran、Java)；探测器参数编辑器快速完成系统各参数配置，包括探测器机体坐标系的确定、转动惯性矩阵的计算，发动机的参数配置、天体固连坐标系的确定、着陆坐标系的确定；小天体重力计算引擎根据目标天体的三位多面体模型或者球谐系数参数，完成探测器当前位置重力加速度的计算；动力学引擎根据当前的参数配置自动生成探测器的3自由度/6自由度动力学模型，并根据API接口绑定层传入的发动机控制量、星历数据库、天体参数数据库相关数据和小天体重力计算引擎，完成探测器的运动和姿态计算，并通过API接口绑定层返回给客户端程序，最终完成了小天体探测器着陆动力学模拟计算。

探测器参数编辑器的基本原理是借助于计算机三维图形学相关技术，通过小天体三维多面体模型或者探测器的三维模型快速确定探测器的各项参数和相关坐标系，其配置过程如下：

步骤1：导入小天体三维多面体模型，根据三维多面体模型和天体密度参数，计算小天体的质心、旋转主轴，研究人员能够在小天体的三维模型上确定天体固连坐标系和着陆坐标系；

步骤2：导入探测器的三维模型，根据模型和各部件材质、密度参数计算探测器的质心、最大转动惯量方向，研究人员在探测器的三维模型上确定机体坐标系，系统进而计算出探测器字机体坐标系下的转动惯性矩阵；

步骤3：借助探测器的三维模型，配置各发动机的参数，包括推力大小、推力方向、作用点、比冲和燃耗比；

步骤4：保存上述所有参数到参数配置文件。

注：研究人员通过参数编辑器各参数设置面板对参数计算结果进行微调，当没有相应的小天体三维多面体模型或者探测器的三维模型时，能够通过面板完成全部参数的手动输入。