[发明专利]空间拦截过程的时变非线性地面物理相似性仿真方法

说明书

本发明涉及一种空间拦截过程的时变非线性地面物理相似性仿真方法，通过非线性变换将两个飞行器的高速运动分量映射为常值或匀速运动，仅在地面模拟剩余的低速相对运动部分，该方法能够充分利用地面物理仿真中的可用空间和执行机构的能力，降低了地面仿真的精度要求，具有较好的工程可实现性。

技术领域

本发明是针对空间飞行器高速拦截过程的地面物理仿真所提出的一种时变非线性物理相似性仿真方法，属于航天技术地面仿真实验领域。

背景技术

随着空间高速飞行器技术发展，空间飞行器的高速拦截技术已经成为未来空间攻防对抗的重要手段。由于这种空间高速飞行器的拦截过程中对飞行器的制导和控制要求很高，因此在实际飞行试验前的地面物理仿真实验就成为检验空间飞行器拦截效果的重要手段，对降低实验的风险和成本具有重要的实际应用价值。

空间飞行器地面仿真技术是在地面环境中模拟空间失重或者微重力的环境，并通过相应模拟器模拟飞行器在空间中的制导与控制过程。现阶段模拟失重或微重力的仿真平台主要有大理石气浮平台、中性浮力平台、磁悬浮平台等。在空间飞行器运动模拟仿真实验中，大理石气浮平台兼具成本低、可靠性高的优势，成为航天工程地面仿真的重要平台。

通过文献检索可以发现，空间飞行器的地面物理仿真实验主要是利用相似性原理在地面气浮平台上通过时空缩比关系开展相互运动的物理模拟仿真。考虑到对几何和物理仿真的相似一致性要求，现有文献和专利都是采用的确定系数的线性相似性仿真方法。这些方法都是在确定不变的时间和空间缩比转换关系下，采用各向同性的线性缩比关系模拟空间飞行器的相对运动，并在确定不变的线性时空缩比相似性体系下开展力学模拟和各种测量仿真。

但是这类确定不变的线性时空缩比相似性物理仿真方法主要用于航天器伴飞、航天器交会对接和航天器编队等相对运动速度很慢的场景。这类仿真方法的本质是引入参考惯性系将两个空间飞行器的同向轨道速度消除，只再现两个飞行器的缓慢相对运动，因此其在地面表观运动属于慢速运动过程。而在空间飞行器高速拦截的过程中，两个高速飞行器迎向飞行，两者的相对速度达到数十马赫。这种高速接近飞行过程无法引入参考惯性系消除其高速运动特性。如果采用确定不变的线性时空缩比关将高速相对运动映射为低速相对运动，这时所使用的巨大空间缩比尺度将使得仿真空间的误差变得巨大而无法接受。

目前通过检索中国专利和其他公开技术文献后，鲜见针对空间两个飞行器的高速拦截过程开展地面仿真研究方法，查询到的具有一定相关性的航天器地面物理仿真方法都是采用确定不变的线性时空缩比映射方法，并主要应用于航天器交会对接、伴飞和编队等相对速度较低的场合。

中国发明专利号：301410545400.0，专利名称为：空间飞行器导航制导技术地面仿真方法。该方法通过给出的缩比确定准则，综合实际运动模拟器的参数及空间飞行器的运动参数和测量系统的精度要求，最终确定系统的缩比。这种地面物理仿真方法属于时空缩比关系不变的线性相似性方法，只适用于两个航天器相对速度较慢的场景仿真。

中国发明专利号：201310547320.4，专利名称为：空间飞行器交会对接多自由度半物理仿真方法及其装置。该专利给出了一种空间飞行器交会对接多自由度半物理仿真方法及其装置，其主要通过确定时空缩比系数的线性相似性准则，设计了模拟空间飞行器交会对接的多自由度模拟装置。这种地面物理仿真方法仍然属于确定时空缩比系数的线性相似性方法，只适用于两个空间飞行器相互对接时相对速度较慢的场景仿真。

中国运载火箭技术研究院张灏龙、廖馨、李彬等人针对空间飞行器高速拦截的地面物理仿真问题发表论文《基于气浮平台的飞行器性能验证技术研究》，系统仿真学报，2018，30(10)：3739-3745。该文仍然采用各向同性的确定时空缩比系数的设相似性方法设计空间飞行器拦截试验。这种设计方法虽然在一定程度上保证了仿真的直观性，但是由于为满足地面物理仿真的实际空间和执行机构约束，该仿真方法对速度和加速度精度模拟要求极高，不具备地面物理仿真可行性。