环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法及系统，其中，该方法包括如下步骤：建立描述环型天线主体结构中每个四边形单元的坐标系和环型天线坐标系；建立环型天线主体结构中的每个竖杆在环型天线坐标系的相对位置方程；将所有竖杆与卫星运动方程联立，形成环型天线与卫星的耦合运动方程；建立大型环形天线半径与竖杆的运动约束关系方程；建立运动约束与控制力之间的控制关系方程；采用数值积分方法求解环型天线与卫星的耦合运动方程和运动约束与控制力之间的控制关系方程获得卫星与环型天线的运动信息。本发明专利技术既能保证天线展开过程的计算精度，又能大幅度提高了计算的快速性，降低建模复杂度。

【技术实现步骤摘要】
环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法及系统
本专利技术属于空间飞行器动力学建模与计算
，尤其涉及一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法及系统。
技术介绍
为了满足一类卫星携带大型柔性天线在轨展开时对展开过程的鲁棒控制需求以及展开过程中的姿态控制策略分析，需要建立动态展开过程的动力学模型以便分析展开过程的稳定性以及评价展开过程对姿态的影响。现有的携带大型柔性环型天线的卫星在环型天线展开时动力学模型较为复杂，大型环形天线一般有多个平行四边形单元和更多的运动杆件，如果对每根运动杆件进行建模不但建模复杂，而且计算效率和速度大幅降低。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服先有技术的不足，提供了一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法及系统，通过分析展开过程的天线运动提出竖杆运动等效方法，利用环形天线的展开特点，利用平行四边形竖杆运动进行等效，既能保证天线展开过程的计算精度，又能大幅度提高了计算的快速性，降低建模复杂度，更适合于卫星研制过程中对环型天线展开过程的分析和在轨姿态预报。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：根据本专利技术的一个方面，提供了一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，所述方法包括如下步骤：(1)建立描述环型天线主体结构中每个四边形单元的坐标系和环型天线坐标系；(2)建立环型天线主体结构中的每个竖杆在环型天线坐标系的相对位置方程；(3)将所有竖杆与卫星运动方程联立，形成环型天线与卫星的耦合运动方程；(4)建立大型环形天线半径与竖杆的运动约束关系方程；(5)建立运动约束与控制力之间的控制关系方程；(6)采用数值积分方法求解环型天线与卫星的耦合运动方程和运动约束与控制力之间的控制关系方程获得卫星与环型天线的运动信息。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(1)中，环型天线主体结构由n个结构相同的平行四边形单元组成的，这些单元通过固定夹角为θ＝360°/n的铰链相连接成为一个封闭的多边形环。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(1)中，每个四边形单元的坐标系为oixiyizi，其中，完全展开到位后的横杆定义为四边形单元的-yi轴，竖杆定义为四边形单元的zi轴，xi轴符合右手定则，则相邻两个四边形单元的x轴之间的夹角为θ，i＝0、1、……、n。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(1)中，环型天线坐标系为o0x0y0z0，其中，原点与第1个四边形单元坐标系原点相同,o0x0轴指向环型天线外接圆的圆心,o0z0轴与第1个四边形单元坐标系o1z1轴重合；环型天线坐标系原点固连在卫星的展开臂上。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(2)中，环型天线主体结构中的每个竖杆第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的相对位置方程为:其中，为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的位置矢量，xoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的x轴上的位置分量，yoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的y轴上的位置分量，zoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的z轴上的位置分量，L为平行四边形单元中横杆Bi的长度，为平行四边形单元中横杆Bi在o0x0y0z0坐标系中与x0o0y0平面的夹角。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(3)中，环型天线与卫星的耦合运动方程为：其中,mf是环型天线总质量，m是整星总质量,rc是整星质心,是环型天线坐标系o0x0y0z0原点在卫星坐标系中的坐标矢量反对称矩阵,Jo是除环型天线外的整星惯量矩阵,Fi为作用在第i个竖杆单元上的等效力，Jcc为整星相对质心惯量矩阵，为第i个竖杆对卫星的耦合力矩系数，mi为分配到第i个竖杆上的质量，为整星质心rc的反对称矩阵，mii为第i个竖杆上的等效质量，Ja为整星相对机械坐标系的惯量矩阵，Ji为第i个竖杆的惯量矩阵，mij为第i个竖杆和第j个竖杆之间的耦合系数，mj为分配到第j个竖杆上的质量，为卫星角速度导数，Mb为作用在卫星上的力矩矢量，ri为第i个竖杆在线坐标系o0x0y0z0中的位置矢量,为ri的反对称矩阵,ri″为ri的二阶导数。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(4)中，大型环型天线半径与竖杆的运动约束关系方程为：其中，R为环型天线半径，rci为第i个竖杆的期望位置矢量,r′ci为rci的导数,即第i个竖杆的期望速度矢量。上述环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法中，在步骤(5)中，运动约束与控制力之间的控制关系方程为：Fi＝-Kdi·(ri′-r′ci)-Kpi·(ri-rci)；其中，ri为为第i个竖杆在线坐标系o0x0y0z0中的位置矢量，rci为第i个竖杆的期望位置矢量，Kdi为第i个竖杆的速度调节系数，Kpi为第i个竖杆的位置调节系数。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模系统，包括：第一模块，用于建立描述环型天线主体结构中每个四边形单元的坐标系和环型天线坐标系；第二模块，用于建立环型天线主体结构中的每个竖杆在环型天线坐标系的相对位置方程；第三模块，用于将所有竖杆与卫星运动方程联立，形成环型天线与卫星的耦合运动方程；第四模块，用于建立环型天线半径与竖杆的运动约束关系方程；第五模块，用于建立运动约束与控制力之间的控制关系方程；第六模块，用于采用数值积分方法求解环型天线与卫星的耦合运动方程和运动约束与控制力之间的控制关系方程获得卫星与环型天线的运动信息。根据本专利技术的又一个方面，提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行本专利技术的一个方面的一个或多个的方法。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：本专利技术通过分析展开过程的天线运动提出竖杆运动等效方法，利用环形天线的展开特点，利用平行四边形竖杆运动进行等效，既能保证天线展开过程的计算精度，又能大幅度提高了计算的快速性，降低建模复杂度，更适合于卫星研制过程中对环型天线展开过程的分析和在轨姿态预报。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的卫星与大型环型天线连接示意图；图2是本专利技术实施例提供的环型天线坐标系与四边形单元的坐标系关系示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本实施例提供了一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，该方法包括如下步骤：(1)首先建立描述环型天线主体结构运动的坐标系。主体结构是由n个结构相同的平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)建立描述环型天线主体结构中每个四边形单元的坐标系和环型天线坐标系；(2)建立环型天线主体结构中的每个竖杆在环型天线坐标系的相对位置方程；(3)将所有竖杆与卫星运动方程联立，形成环型天线与卫星的耦合运动方程；(4)建立大型环形天线半径与竖杆的运动约束关系方程；(5)建立运动约束与控制力之间的控制关系方程；(6)采用数值积分方法求解环型天线与卫星的耦合运动方程和运动约束与控制力之间的控制关系方程获得卫星与环型天线的运动信息。

【技术特征摘要】
1.一种环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)建立描述环型天线主体结构中每个四边形单元的坐标系和环型天线坐标系；(2)建立环型天线主体结构中的每个竖杆在环型天线坐标系的相对位置方程；(3)将所有竖杆与卫星运动方程联立，形成环型天线与卫星的耦合运动方程；(4)建立大型环形天线半径与竖杆的运动约束关系方程；(5)建立运动约束与控制力之间的控制关系方程；(6)采用数值积分方法求解环型天线与卫星的耦合运动方程和运动约束与控制力之间的控制关系方程获得卫星与环型天线的运动信息。2.根据权利要求1所述的环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于：在步骤(1)中，环型天线主体结构由n个结构相同的平行四边形单元组成的，这些单元通过固定夹角为θ＝360°/n的铰链相连接成为一个封闭的多边形环。3.根据权利要求2所述的环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于：在步骤(1)中，每个四边形单元的坐标系为oixiyizi，其中，完全展开到位后的横杆定义为四边形单元的-yi轴，竖杆定义为四边形单元的zi轴，xi轴符合右手定则，则相邻两个四边形单元的x轴之间的夹角为θ，i＝0、1、……、n。4.根据权利要求3所述的环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于：在步骤(1)中，环型天线坐标系为o0x0y0z0，其中，原点与第1个四边形单元坐标系原点相同,o0x0轴指向环型天线外接圆的圆心,o0z0轴与第1个四边形单元坐标系o1z1轴重合；环型天线坐标系原点固连在卫星的展开臂上。5.根据权利要求4所述的环型天线展开过程竖杆等效卫星姿态运动建模方法，其特征在于：在步骤(2)中，环型天线主体结构中的每个竖杆第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的相对位置方程为:其中，为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的位置矢量，xoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的x轴上的位置分量，yoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的y轴上的位置分量，zoi为第i个竖杆Ai在环型天线坐标系o0x0y0z0中的z轴上的位置分量，L为平行四边形单元中横杆Bi的长度，为平行四边形单元中横杆Bi在o0x0y0z0坐标系中与x0o0y0平面的夹角。6.根据权利要求5所述的环型天线展开过程竖杆等效卫星姿...

【专利技术属性】
技术研发人员：林波，曾海波，邱乐德，武云丽，沈莎莎，刘江，张银，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11