基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法，用于解决现有航天器质量在轨辨识方法实用性差的技术问题。技术方案是首先确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系，再利用四个点安装的三方向加速度计测量信息，通过质量变化前后两次航天器质心辨识结果计算质量辨识值。该方法适用于大型刚体或挠性航天器组装、重构过程中大范围的质量特性变化情况下，基于动量守恒原理进行质量辨识，实用性好。

On-orbit mass identification of Spacecraft Based on momentum conservation

The invention discloses an on-orbit identification method of spacecraft mass based on momentum conservation, which is used to solve the technical problem of poor practicability of the existing on-orbit identification method of spacecraft mass. The technical scheme is to determine the relationship between the centroid identification parameters and the accelerometer measurement data, and then calculate the mass identification value by using the three-direction accelerometer measurement information installed at four points and the centroid identification results of the spacecraft before and after the mass change. This method is suitable for mass identification of large rigid or flexible spacecraft in the process of assembling and reconstructing, which is based on the principle of momentum conservation and has good practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法
本专利技术涉及一种航天器质量在轨辨识方法，特别涉及一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法。
技术介绍
文献“侯振动，王兆魁，张育林.基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究[J].航天控制，2015，33(1):54-59”公开了一种基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程，并通过对角速度和线加速度进行多次采样，利用最小二乘法求解辨识方程完成质量在轨辨识方法。该方法属于基于牛顿-欧拉方程的辨识方法，需要利用推力器反作用力控制进行航天器质量特性参数辨识。而此方法的缺点在于：(1)喷气消耗燃料，燃料必须从地球带入；(2)反作用力产生较大的加速度干扰星载设备正常运行；(3)喷气废物会造成对星载设备的污染。
技术实现思路
为了克服现有航天器质量在轨辨识方法实用性差的不足，本专利技术提供一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法。该方法首先确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系，再利用四个点安装的三方向加速度计测量信息，通过质量变化前后两次航天器质心辨识结果计算质量辨识值。该方法适用于大型刚体或挠性航天器组装、重构过程中大范围的质量特性变化情况下，基于动量守恒原理进行质量辨识，实用性好。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系。安装在航天器上加速度计的输出包括位移和角度：其中，a是测量加速度，acm是质心加速度，是航天器角加速度，r是质心到加速度计的位移，w是航天器角速度，是质心到加速度计的位移变化率。对刚体来说，质心到加速度计的位置是固定的，因此上式简化为展开整理为下式a＝(H1+H2)r＝Hr(3)其中选择四点在每个点安装三方向加速度计来辨识航天器质心，共需安装加速度计12个，设质心位置为C＝[C1C2C3]T其中，C1C2C3为质心位置坐标。在卫星固连坐标系中，加速度计在固连坐标中的安装位置坐标是L1＝[x1y1z1]TL2＝[x2y2z2]TL3＝[x3y3z3]TL4＝[x4y4z4]T其中，x1y1z1、x2y2z2、x3y3z3、x4y4z4为四个加速度计安装位置坐标，每个位置安装三个方向加速度计。各加速度计的测量值是a1＝[a1xa1ya1z]Ta2＝[a2xa2ya2z]Ta3＝[a3xa3ya3z]Ta4＝[a4xa4ya4z]T其中，各下脚1，2，3，4表示加速度计编号，各下脚x，y，z表示加速度计测量方向。得其中，各下脚1，2，3，4表示加速度计距离质心位移编号。变形为令当X为非奇异时，H为H＝(H1+H2)＝AX-1(6)得到H后，通过任意一个加速度方程得到质心位置。步骤二、两次姿态激励。设计PD控制器采用闭环控制激励，设计期望的姿态控制力矩大小为：其中，ω和Θ分别为角速度和欧拉角度所需增量向量，J为转动惯量，T为控制力矩，Kω和Kω为PD控制器系数。步骤三、质量变化前后进行两次质心辨识，完成质量辨识。估计两次质心，两次测量的不同之处在于一个已知质量块移动。初始测量的质心位置R用下式表示其中，Mc＝可移动质量块的质量，Ms＝航天器其余部分的质量，rc＝本体坐标系中质量块的位置，rs＝航天器其余部分的质心位置。质量块位置移动以后，新的质心位置表示为其中rc'＝移动后本体坐标系中质量块的位置。注意到rs被抵消掉，得到Ms因此，如果Mc、rc、r'c已知，R和R'通过质心估计得到，那么，航天器的质量不施加外加激励辨识得到。本专利技术的有益效果是：该方法首先确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系，再利用四个点安装的三方向加速度计测量信息，通过质量变化前后两次航天器质心辨识结果计算质量辨识值。该方法适用于大型刚体或挠性航天器组装、重构过程中大范围的质量特性变化情况下，基于动量守恒原理进行质量辨识，实用性好。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术方法实施例加速度计1的一次激励加速度测量曲线。图2是本专利技术方法实施例加速度计2的一次激励加速度测量曲线。图3是本专利技术方法实施例加速度计3的一次激励加速度测量曲线。图4是本专利技术方法实施例加速度计4的一次激励加速度测量曲线。图5是本专利技术方法实施例质心位置x轴分量辨识曲线图。图6是本专利技术方法实施例质心位置y轴分量辨识曲线图。图7是本专利技术方法实施例质心位置z轴分量辨识曲线图。具体实施方式参照图1-7。本专利技术基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法具体步骤如下：步骤一、确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系。安装在航天器上的加速度计的输出包括了位移和角度：其中，a是测量加速度，acm是质心加速度，是航天器角加速度，r是质心到加速度计的位移，w是航天器角速度，是质心到加速度计的位移变化率。如果没有非平衡力作用在航天器上，那么质心不会有加速度，acm＝0，在进行质心辨识时，将加速度计安装在航天器刚体本体部分，对刚体来说，质心到加速度计的位置是固定的，因此上式可以简化为展开整理为下式a＝(H1+H2)r＝Hr(3)其中选择四点在每个点安装三方向加速度计来辨识航天器质心，共需安装加速度计12个，此安装方案可以不再使用陀螺信息，仅加速度测量值便可以获得质心位置。设质心位置为C＝[C1C2C3]T其中，C1C2C3为质心位置坐标。在卫星固连坐标系中，加速度计在固连坐标中的安装位置坐标是L1＝[x1y1z1]TL2＝[x2y2z2]TL3＝[x3y3z3]TL4＝[x4y4z4]T其中，x1y1z1、x2y2z2、x3y3z3、x4y4z4为四个加速度计安装位置坐标，每个位置安装三个方向加速度计。各加速度计的测量值是a1＝[a1xa1ya1z]Ta2＝[a2xa2ya2z]Ta3＝[a3xa3ya3z]Ta4＝[a4xa4ya4z]T其中，各下脚1，2，3，4表示加速度计编号，各下脚x，y，z表示加速度计测量方向。可得其中，各下脚1，2，3，4表示加速度计距离质心位移编号。变形为令当X为非奇异时，H为H＝(H1+H2)＝AX-1(6)得到H后，可以通过任意一个加速度方程得到质心位置，这个方法不需要测量角速度，也不需要通过角速度微分来计算角加速度，减少了误差，唯一要求就是要保证X非奇异，这个要求可以通过在固连坐标系中合理安装加速度计来满足。步骤二、两次姿态激励。此步骤设计恰当的激励方案。设计PD控制器采用闭环控制激励，设计期望的姿态控制力矩大小为：其中，ω和Θ分别为角速度和欧拉角度所需增量向量，J为转动惯量，T为控制力矩，Kω和Kω为PD控制器系数。按照以上控制方案完成质量变化前后的两次姿态激励。步骤三、质量变化前后进行两次质心辨识，完成质量辨识。根据步骤一推导的质心参数与测量参数的关系方程，利用质量变化前后两次激励下测量信息完成两次质心辨识，利用两次质心辨识结果完成质量辨识。质量辨识方法如下：估计两次质心，两次测量的不同之处在于一个已知质量块移动。如果这个质量块的质量在航天器总质量中占有足够的比重，并且两次测量时质量块的位移变化足够大，那么质心位置就会有所改变。初始测量的质心位置R用下式表示其中Mc＝可移动质量块的质量(假定质量已知)Ms＝航天器其余部分的质量(需要求取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系；安装在航天器上加速度计的输出包括位移和角度：

【技术特征摘要】
1.一种基于动量守恒的航天器质量在轨辨识方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、确定质心辨识参数与加速度计测量数据之间的关系；安装在航天器上加速度计的输出包括位移和角度：其中，a是测量加速度，acm是质心加速度，是航天器角加速度，r是质心到加速度计的位移，w是航天器角速度，是质心到加速度计的位移变化率；对刚体来说，质心到加速度计的位置是固定的，因此上式简化为展开整理为下式a＝(H1+H2)r＝Hr(3)其中选择四点在每个点安装三方向加速度计来辨识航天器质心，共需安装加速度计12个，设质心位置为C＝[C1C2C3]T其中，C1C2C3为质心位置坐标；在卫星固连坐标系中，加速度计在固连坐标中的安装位置坐标是L1＝[x1y1z1]TL2＝[x2y2z2]TL3＝[x3y3z3]TL4＝[x4y4z4]T其中，x1y1z1、x2y2z2、x3y3z3、x4y4z4为四个加速度计安装位置坐标，每个位置安装三个方向加速度计；各加速度计的测量值是a1＝[a1xa1ya1z]Ta2＝[a2xa2ya2z]Ta3＝[a3xa3ya3z]Ta4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿，周军，李公军，张军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61