一种航天器动力学建模方法技术

一种航天器动力学建模方法，用等效摆代替液体晃动的等效力学模型，将闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构，在铰链关节定义坐标系，定义基本联系算子，表征柔性体的弹性位移，递推计算柔性体的力和速度，判断系统计算力学类型是前向动力学建模过程还是后向动力学建模过程，对应代入前向动力学建模过程或后向动力学建模过程，推导得出系统动力学方程。本发明专利技术不但达到了精确建模的要求，而且简化了设计过程，节省了大量的工作量，加快了航天器的研制周期，解决了大型柔性索网天线航天器高精确高效率动力学建模的问题，取得了用最简单的计算形式计算闭环形式航天器构形的柔性多体系统建模，节省了大量繁琐而困难的工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种航天器动力学建模方法，尤其涉及一种用于复杂柔性多体结构航天器的动力学建模方法。
技术介绍
航天器的动力学建模与分析是姿态控制系统设计的基础。随着现代航天技术的发展和航天任务的多样性，现代航天器的结构也日趋复杂，这对动力学建模和分析提出了更高的要求和挑战。现代复杂航天器平台具有以下几方面特点：1、大尺寸、大柔性附件，如锁网天线，充气天线或者太阳薄膜天线；2、质量大，带大量液体燃料；3、结构复杂；4、复杂的多体运动。电子侦察卫星中最重要的技术就是超大口径天线技术，由于天线必须满足非常宽的信号接收频带，同时所要侦察的敌方信号很弱，因此要求其增益就特别高，这样装备在电子侦察卫星上的天线就很大。据初步测算，地球静止轨道的电子侦察卫星的接收天线口径通常在30米以上甚至达到100多米。针对这种锁网天线结构的航天器，自由度多且展开过程缓慢，采用以能量形式的建模方法，计算速度慢且建模过程繁琐。位移和速度牵连传递形式的动力学建模方法计算效率高，但该动力学建模方法尚未应用到航天器领域中。
技术实现思路
本专利技术提供一种航天器动力学建模方法，不但达到了精确建模的要求，而且简化了设计过程，节省了大量的工作量，加快了航天器的研制周期，解决了大型柔性索网天线航天器高精确高效率动力学建模的问题，取得了用最简单的计算形式计算闭环形式航天器构形的柔性多体系统建模，节省了大量繁琐而困难的工作。为了达到上述目的，本专利技术提供一种航天器动力学建模方法，包含以下步骤：步骤S1、根据索网天线航天器的本体结构特征，将索网天线航天器中液体晃动的等效力学模型用等效摆来代替；步骤S2、定义索网天线航天器的系统拓扑结构，将闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构；步骤S3、在铰链关节定义坐标系；分别定义惯性坐标系、轨道坐标系、中心体体坐标系、体坐标系统、等效单摆坐标系、铰链坐标系、天线体坐标系、帆板体坐标系、天线支撑臂体坐标系；步骤S4、定义基本联系算子，计算各个体的速度、加速度和力的初始值；分别定义力算子、速度算子、连接体位移联系算子、每个体的广义力、广义速度和广义角速度；步骤S5、表征柔性体的弹性位移；针对柔性体，采用有限元和模态综合法对柔性体进行结构振动特性分析，得到模态参数用于表征柔性变形；步骤S6、递推计算柔性体的力和速度；根据上一体选取的速度、加速度和力，并利用体间联系算子传递关系，得到下一体的速度、加速度和力；步骤S7、判断系统计算力学类型是前向动力学建模过程还是后向动力学建模过程，对应代入前向动力学建模过程或后向动力学建模过程，得到各个体的关节空间变量，进一步投影到各个体状态空间变量，从而得出各体的速度、加速度、力变量，进而推导得出系统动力学方程。所述的步骤S2中，闭环拓扑结构以主动展开铰链为关节铰链，被动式铰链部分作为可以删除的去掉腹杆，而在主动展开铰链处等效为加一个等效力矩作用，从而将原来的闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构。所述的步骤S3中，设附件2k铰接于附件1i上，引入如下几个坐标系：1、惯性坐标系FI(OXYZ)；2、轨道坐标系Fr(orxryrz)；3、中心体体坐标系Fb(obxbybz)；4、体坐标系统都建立在铰链处Fj(ojxjyjz)；5、等效单摆坐标系Fsl(oslxslyslzsl)，l＝1,2,…m，此处m为中心刚体内贮箱的个数；6、铰链坐标系Fj(ojxjyjzj)；7、天线体坐标系Fa(oaxayaza)；8、帆板体坐标系Ff(ofxfyfzf)；9、天线支撑臂体Fl(olxlylzl)。所述的步骤S4中，定义的基本联系算子包含：1、定义两点位置联系算子、力联系算子和速度位置联系算子；2、计算中心体关节空间6自由度的广义力和广义速度；3、计算柔性附件li上体坐标系下自由度的柔性体广义力、广义速度；4、计算每个体j上任一中心点的广义力和广义速度；5、计算等效摆质量l的广义力和广义速度矢量；6、计算等效圆盘l的广义力和广义速度矢量；7、计算在航天器正常的轨道运行模式下的轨道角速度；8、计算中心体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；9、计算铰链处弹性角速度，即附件铰链坐标系相对于其体坐标系的转动角速度；10、计算锁网天线角速度，即天线体坐标系相对于附件铰链坐标系的转动角速度；11、计算太阳帆板角速度，即帆板体坐标系相对于中心体坐标系的转动角速度；12、计算天线支撑臂角速度，即天线支撑臂体坐标系相对于中心体坐标系的转动角速度；13、计算等效摆质量位移，即等效摆质量在等效摆坐标系中的位移。通过父体阵列，就可以知道系统中每个相邻体之间的连接关系，就可以对每对父子体建立移位算子，得到各变量体间传递关系为： V ( k ) = φ * ( P a ( k ) , k ) V ( k + 1 ) + H * ( k ) · θ · ( k ) α ( k ) = φ * ( P a ( k ) , k ) α ( k + 1 ) + H * ( k ) · θ ·· ( k ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器动力学建模方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、根据索网天线航天器的本体结构特征，将索网天线航天器中液体晃动的等效力学模型用等效摆来代替；步骤S2、定义索网天线航天器的系统拓扑结构，将闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构；步骤S3、在铰链关节定义坐标系；分别定义惯性坐标系、轨道坐标系、中心体体坐标系、体坐标系统、等效单摆坐标系、铰链坐标系、天线体坐标系、帆板体坐标系、天线支撑臂体坐标系；步骤S4、定义基本联系算子，计算各个体的速度、加速度和力的初始值；分别定义力算子、速度算子、连接体位移联系算子、每个体的广义力、广义速度和广义角速度；步骤S5、表征柔性体的弹性位移；针对柔性体，采用有限元和模态综合法对柔性体进行结构振动特性分析，得到模态参数用于表征柔性变形；步骤S6、递推计算柔性体的力和速度；根据上一体选取的速度、加速度和力，并利用体间联系算子传递关系，得到下一体的速度、加速度和力；步骤S7、判断系统计算力学类型是前向动力学建模过程还是后向动力学建模过程，对应代入前向动力学建模过程或后向动力学建模过程，得到各个体的关节空间变量，进一步投影到各个体状态空间变量，从而得出各体的速度、加速度、力变量，进而推导得出系统动力学方程。...

【技术特征摘要】
1.一种航天器动力学建模方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤S1、根据索网天线航天器的本体结构特征，将索网天线航天器中液体晃动的等效力学模型用等效摆来代替；步骤S2、定义索网天线航天器的系统拓扑结构，将闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构；步骤S3、在铰链关节定义坐标系；分别定义惯性坐标系、轨道坐标系、中心体体坐标系、体坐标系统、等效单摆坐标系、铰链坐标系、天线体坐标系、帆板体坐标系、天线支撑臂体坐标系；步骤S4、定义基本联系算子，计算各个体的速度、加速度和力的初始值；分别定义力算子、速度算子、连接体位移联系算子、每个体的广义力、广义速度和广义角速度；步骤S5、表征柔性体的弹性位移；针对柔性体，采用有限元和模态综合法对柔性体进行结构振动特性分析，得到模态参数用于表征柔性变形；步骤S6、递推计算柔性体的力和速度；根据上一体选取的速度、加速度和力，并利用体间联系算子传递关系，得到下一体的速度、加速度和力；步骤S7、判断系统计算力学类型是前向动力学建模过程还是后向动力学建模过程，对应代入前向动力学建模过程或后向动力学建模过程，得到各个体的关节空间变量，进一步投影到各个体状态空间变量，从而得出各体的速度、加速度、力变量，进而推导得出系统动力学方程。2.如权利要求1所述的航天器动力学建模方法，其特征在于，所述的步骤S2中，闭环拓扑结构以主动展开铰链为关节铰链，被动式铰链部分作为可以删除的去掉腹杆，而在主动展开铰链处等效为加一个等效力矩作用，从而将原来的闭环拓扑结构等效为开环树形拓扑结构。3.如权利要求1所述的航天器动力学建模方法，其特征在于，所述的步骤S3中，设附件2k铰接于附件1i上，引入如下几个坐标系：1、惯性坐标系FI(OXYZ)；2、轨道坐标系Fr(orxryrz)；3、中心体体坐标系Fb(obxbybz)；4、体坐标系统都建立在铰链处Fj(ojxjyjz)；5、等效单摆坐标系Fsl(oslxslyslzsl)，l＝1,2,…m，此处m为中心刚体内贮箱的个数；6、铰链坐标系Fj(ojxjyjzj)；7、天线体坐标系Fa(oaxayaza)；8、帆板体坐标系Ff(ofxfyfzf)；9、天线支撑臂体Fl(olxlylzl)。4.如权利要求1所述的航天器动力学建模方法，其特征在于，所述的步骤S4中，定义的基本联系算子包含：1、定义两点位置联系算子、力联系算子和速度位置联系算子；2、计算中心体关节空间6自由度的广义力和广义速度；3、计算柔性附件li上体坐标系下自由度的柔性体广义力、广义速度；4、计算每个体j上任一中心点的广义力和广义速度；5、计算等效摆质量l的广义力和广义速度矢量；6、计算等效圆盘l的广义力和广义速度矢量；7、计算在航天器正常的轨道运行模式下的轨道角速度；8、计算中心体坐标系相对于惯性坐标系的角速度；9、计算铰链处弹性角速度，即附件铰链坐标系相对于其体坐标系的转动角速度；10、计算锁网天线角速度，即天线体坐标系相对于附件铰链坐标系的转动角速度；11、计算太阳帆板角速度，即帆板体坐标系相对于中心体坐标系的转动角速度；12、计算天线支撑臂角速度，即天线支撑臂体坐标系相对于中心体坐标系的转动角速度；13、计算等效摆质量位移，即等效摆质量在等效摆坐标系中的位移。5.如权利要求1所述的航天器动力学建模方法，其特征在于，通过父体阵列，就可以知道系统中每个相邻体之间的连接关系，就可以对每对父子体建立移位算子，得到各变量体间传递关系为： V ( k ) = φ * ( P a ( k ) , k ) V ( k + 1 ) + H * ( k ) · θ · ( k ) α ( k ) = φ * ( P a ( k ) , k ) α ( k + 1 ) + H * ( k ) · θ ·· ( k ) + a ( k ) f ( k ) = φ ( P a ( k ) , k ) f ( k - 1 ) + M ( k ) · α ( k ) + b ( k ) T ( k ) = H ( k ) · f ( k ) ]]>为提高计算效率所求解的速度和加速度都是在本体坐标系下定义的，首先按照从每条链i(i＝1，…，s)的基座到顶端的顺序递推计算航天器本体和柔性附件的的速度模型和加速度模型；然后将分叉处的速度和加速度线性相加得到系统中各个体的广义速度和加速度，上述两次运动学递推过程可表示成如下形式： f o r i = 1... s f o r k = S i ( L 0 ) , S i ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘付成，孙宏丽，朱东方，孙禄君，孙俊，田路路，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31