[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

说明书

一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统及方法，属于导航技术领域。本发明试验系统采用机械转台携带IMU敏感器通过姿态映射方法模拟火星着陆器EDL过程的真实姿态运动，利用机械转台实际输出数据和IMU采集的数据可对惯性导航的关键技术及相关性能进行有效验证和评估，具有试验方法简单、易实现、可靠性高、针对性强等特点。

技术领域

本发明涉及一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统及方法，属于导航技术领域。

背景技术

火星探测任务的进入、降落与着陆段(Entry，Descent，and Landing，简称EDL)是火星探测器近7亿千米旅途的最后6、7分钟，是火星表面探测任务的关键阶段，也是最困难的阶段。EDL技术也是火星表面探测任务的关键技术之一。从火星探测器以2万千米每小时的速度进入火星大气开始，经历大气减速，降落伞拖拽，动力下降等一系列的阶段，而这期间仅能使用IMU进行惯性导航，惯性导航中对姿态的估计全程无其他测量可以进行修正，一旦姿态估计误差过大会导致着陆器坠毁，因此火星EDL过程惯性导航的性能尤其是姿态估计的精度是决定火星软着陆任务成功的关键因素。在以往嫦娥系列月球软着陆过程中，探测器的姿态运动相对比较平稳，干扰少，IMU工作环境比较理想，因此只需做静态导航试验即可验证月球着陆过程惯性导航的性能。而相比较月球着陆过程，火星EDL过程的动态极大，特别是伞降段角速度震荡剧烈，甚至会导致陀螺饱和，而且整个过程IMU受到的干扰多，工作环境恶劣，因此需要通过模拟火星EDL大动态过程的姿态运动来验证基于IMU的惯性导航的可靠性和有效性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统及方法，试验系统采用机械转台携带IMU敏感器通过姿态映射方法模拟火星着陆器EDL过程的真实姿态运动，利用机械转台实际输出数据和IMU采集的数据可对惯性导航的关键技术及相关性能进行有效验证和评估，具有试验方法简单、易实现、可靠性高、针对性强等特点。

本发明的技术解决方案是：一种火星EDL过程大动态导航试验验证系统，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。

进一步地，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。