[发明专利]一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统及方法

权利要求书

1.一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于：包括数学仿真计算机、IMU模块及其数据采集设备、三轴机械转台及其控制计算机、星载计算机、地面计算机；

数学仿真计算机，构建用于模拟火星EDL全过程着陆器的姿态运动的姿态动力学模型，实时计算火星EDL过程着陆器的姿态变化数据，并通过数据接口模块将其发送给机械转台控制计算机；

三轴机械转台控制计算机，根据接收到的火星EDL过程着陆器的姿态变化数据生成三轴机械转台控制指令，并发送至三轴机械转台；

三轴机械转台，携带IMU模块，按三轴机械转台控制指令进行三轴转动；IMU模块固定安装在三轴机械转台上，跟随三轴机械转台转动，测量角速度信息，并将采集到的角速度信息发送给星载计算机和地面计算机；

星载计算机，根据角速度信息进行惯性导航解算，输出惯导解算的的姿态信息；

地面计算机，根据角速度信息进行导航解算，将角速度信息转换为IMU模块相对地理系的姿态，通过与惯导解算的的姿态信息进行比较得到惯导定姿误差，实现星上惯性导航的试验验证。

2.根据权利要求1所述的一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于：所述三轴机械转台控制计算机首先通过数据接口模块接收数学仿真计算机发送过来的初始姿态控制机械转台完成初始姿态对准；然后三轴机械转台通过跟踪数学仿真计算机实时发送的三轴角速度实现火星EDL过程姿态跟踪，姿态跟踪过程中通过转台配套测试设备按预设的采样周期采集记录转台三轴的角速度和姿态角，并将采集的数据发送给地面计算机。

3.根据权利要求2所述的一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于，根据和计算得到IMU在试验初始t₀时刻的位置、速度和姿态，完成初始对准；其中，为试验初始t₀时刻转台处在零位时IMU测量坐标系相对惯性参考系的转换阵，为IMU测量坐标系相对IMU基准坐标系的转换阵，为转台处在零位时IMU基准坐标系相对转台基准坐标系的转换矩阵，为转台基准坐标系相对试验场地天东北地理系的转换矩阵，C_nf为地固系到天东北地理系的姿态阵，C_fi为惯性系到地固系的姿态阵，r为试验场地的地心距，R为试验场地当地的地球参考椭球半径，h为试验场地的高程，R_e、R_p为地球参考椭球的半长轴和半短轴，L_c为试验场地的地心纬度。

4.根据权利要求1所述的一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于，所述惯性导航解算包括如下步骤：

利用接收到的IMU模块测量数据进行惯导外推解算；

将惯性导航解算出的得到IMU模块相对惯性系的姿态以及惯性系下的位置和速度转换到天东北地理系下，完成惯性导航解算。

5.根据权利要求1所述的一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于：所述姿态动力学模型根据IMU模块的实际安装，输出火星EDL过程IMU模块测量坐标系相对于惯性系的三轴角速度信息，三轴机械转台控制计算机根据IMU模块与三轴机械转台的安装关系及接收自数学仿真计算机给出的IMU测量坐标系相对于惯性系的三轴角速度计算三轴机械转台转动指令，并驱动三轴机械转台转动，模拟火星EDL过程姿态的运动。

6.根据权利要求5所述的一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，其特征在于：所述姿态动力学模型中，火星EDL过程姿态动力学方程为其中：I_S为转动惯量；ω为探测器相对于惯性系的角速度；Μ_R为气动力矩；Μ_c为发动机产生的力矩；Μ_d为干扰力矩；Μ_la为伞绳的拉力力矩。