一种小天体探测器着陆动力学模拟系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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AerospaceBlockset、AerospaceToolbox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。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术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。小天体重力计算引擎的基本原理是借助于多面体重力模型和球谐系数重力模型，计算出当前位置的重力加速度。多面体重力模型计算任意形状，但密度均匀的小天体任意点的重力加速度；球谐系数重力模型计算速度快，计算结果精确，但是未知天体的球谐系数参数不好确定，但是在最小半径内之内计算结果会发散。考虑到小天体形状及其不规则，当探测器在球谐系数重力模型最小半径圆之外，使用球谐系数重力模型进行计算，以提高计算速度，但是，当探测器在着陆中穿过最小半径圆后，系统会强制使用多面体重力模型进行计算。动力学计算引擎完成如下功能：(1)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；(2)根据探测器当前位置和时间、星历数据库、天体参数数据库，计算太阳系各大天体相对与探测器的位置，进而计算出各大天体对探测器的引力摄动；(3)根据(2)的计算结果，小天体重力引擎计算结果，并根据API接口绑定层传入的发动机控制量，借助龙格库塔算法，对(1)生成探测器动力学模型进行积分，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。使用本专利技术进行深空探测器着陆过程动力学进行计算仿真，有如下优点：(1)借助于计算机三维图形学相关技术，快速确定探测器各物理参数和坐标系，同时在探测器每次调整机械结构之后可以快速重新确定相关参数；(2)可以完成探测器3自由度/6自由度动力学模型生成，相关研究人员在仿真时不再需要手动推导模型，提高工作效率；(3)不需要借助任何专业硬件就可以完成小天体探测器着陆动力学模拟仿真计算；(4)绑定多种语言接口，可以根据需要，选择所绑定的语言中任意一种做客户端的编写。附图说明图1为本专利技术系统的结构框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。如图1所示，其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)。1)参数编辑器的基本原理是借助于计算机图形学相关技术，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，其实施方案如下：(1)小天体的质心、最小和最大转动惯量方向的计算方法：首先，对导入小天体三维多面体模型进行处理，将所有不是三角形的面全部再次分割成三角形，每个三角形面和坐标原点组成了一个四棱柱；其次，根据天体平均密度，计算每个四棱柱的体积、质量、质心位置；第三，根据公式r＝(ΣMiri)/M计算天体质心；最小和最大转动惯量方向详细计算方式请参阅DobrovolskisAR.Inertiaofanypolyhedron[J].Icarus,1996,124(2):698-704。(2)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，探测器机体坐标系下的转动惯性矩阵的计算方式与(1)类似；(3)借助(1)、(2)的计算结果，在探测器的三维模型上确定机体坐标系和天体固连坐标系和着陆坐标系，系统进而计算出探测器字机体坐标系下的转动惯性矩阵；(4)借助探测器的三维模型和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：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；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。

【技术特征摘要】
1.一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：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；
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。
2.根据权利要求1所述的一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：所述的
小天体重力计算引擎能够根据当前的探测器位置信息，借助多面体重力模型或者球谐系数
重力模型，计算出当前的重力加速度。
4.根据权利要求1所述的一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：所述的
小天体动力学计算引擎能够完成如下功能：
(1)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；
(2)根据探测器当前位置和时间、星历数据库、天体参数数据库，计算太阳系各大天体
相对与探测器的位置，进而计算出各大天体对探测器的引力摄动；
(3)根据(2)的计算结果，小天体重力引擎计算结果，并根据API接口绑定层传入的发动
机控制量，借助Runge-Kutta算法，对(1)生成探测器动力学模型进行积分，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。
5.根据权利要求1所述的一种小天体探测器着陆动力学模拟系统，其特征在于：其包括
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；
1)参数编辑器的基本原理是借助于计算机图形学相关技术，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，其实施方案如下，
(1)小天体的质心、最小和最大转动惯量方向的计算方法：
首先，对导入小天体三维多面体模型进行处理，将所有不是三角形的面全部再次分割
成三角形，每个三角形面和坐标原点组成了一个四棱柱；
其次，根据天体平均密度，计算每个四棱柱的体积、质量、质心位置；
第三，根据公式r＝(ΣMiri)/M计算天体质心；
(2)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，探测器
机体坐标系下的转动惯性矩阵的计算方式与(1)类似；

【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，肖尧，张晓平，黄静，朱晓庆，陈志刚，林佳，柴洁，陈岩，伊朝阳，刘冰，李诚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11