一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，属于火箭落点控制技术领域；步骤一、将箭体安装在三轴飞行转台内框上；步骤二、将惯组安装在三轴飞行转台内框上；步骤三、将预处理后的飞行姿态数据发送至三轴飞行转台；步骤四、三轴飞行转台带动箭体进行姿态仿真，惯组测得三轴飞行转台的姿态数据；步骤五、等比例放大处理，获得惯组在空间中的真实角度；步骤六、将真实角度转换为箭体相对于发射惯性坐标系的旋转角速度在箭体坐标系内的分量；步骤七、计算箭体姿态角变化率，积分得到箭体姿态角，完成姿态解算；本发明专利技术消除了由奇异点导致的转台不受控高速旋转现象，有效地提高了一子级回收半实物仿真试验的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法
本专利技术属于火箭落点控制
，涉及一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法。
技术介绍
火箭一子级回收半实物仿真与传统火箭上升段半实物仿真存在较大区别，不同之处在于火箭一子级从分离后到起控前处于自由飞行状态，三个方向的姿态角越来越大，甚至高达几千度，在进行一子级回收半实物仿真时，每当偏航角接近90°的倍数时，都会产生奇异点，此时滚转角的微小变化都会导致转台控制发散，进而产生不受控的高速旋转。转台的异常高速旋转，有可能导致惯组内部元件的损坏，还会造成螺钉松动，设备与转台无法固连，被甩出转台，损坏设备，甚至造成人身伤害。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，基于栅格舵的芯一级落区控制方案指在一子级下落过程中通过操控栅格舵，改变芯一级下落过程中气动力的大小和方向，从而实现对子级落点的控制。本专利技术解决技术的方案是：一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，包括如下步骤：步骤一、将箭体安装在三轴飞行转台内框上；实现箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObZb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztZzt轴平行且方向相同；箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObYb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztYzt轴平行且方向相同；箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObXb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztXzt轴平行且方向相反；步骤二、将惯组安装在三轴飞行转台内框上；实现惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIYI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObZb轴平行且方向相反；惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIXI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObYb轴平行且方向相反；惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIZI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObXb轴平行且方向相同；建立发射惯性坐标系Oa-XaYaZa；步骤三、模拟器对预设飞行姿态数据进行预处理，并将预处理后的姿态数据发送至三轴飞行转台；步骤四、三轴飞行转台带动箭体根据预处理后的姿态数据进行姿态仿真，模拟箭体的飞行姿态；惯组敏感三轴飞行转台的姿态变化，测得三轴飞行转台的姿态数据为惯组测量x轴角速度、为惯组测量y轴角速度、为惯组测量z轴角速度；步骤五、对惯组测得的姿态数据进行等比例放大处理，获得惯组在空间中的真实角度步骤六、真实角度为箭体相对于发射惯性坐标系的旋转角速度在惯组坐标系内的分量，将其转换为箭体相对于发射惯性坐标系的旋转角速度在箭体坐标系内的分量ωx1为箭体旋转x轴角速度；ωy1为箭体旋转y轴角速度；ωz1为箭体旋转z轴角速度；步骤七、计算箭体姿态角变化率积分得到箭体姿态角完成姿态解算。在上述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，箭体坐标系Ob-XbYbZb的建立方法为：原点Ob为箭体质心；ObXb为箭体外壳对称轴，且指向箭体头部；ObYb位于火箭纵向对称面内且与ObXb轴垂直，指向上为正；ObZb轴垂直于Ob-XbYb平面，满足右手定则；转台坐标系Ozt-XztYztZzt的建立方法为：外框为OztZzt轴，中框为OztYzt轴，内框为OztXzt轴；转台坐标系为左手坐标系，各个轴在输入正值角度指令时的旋转方向为正；惯组坐标系OI-XIYIZI实现表征测量姿态角的陀螺仪的安装方向，惯组安装在三轴飞行转台上，惯组坐标系在惯组表面标出；发射惯性坐标系Oa-XaYaZa实现描述飞行器相对于惯性系的位置及姿态，OaXa轴在发射点水平面内指向发射方向为正，OaYa轴垂直于水平面向上为正，OaZa轴由右手定则确定。在上述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，所述步骤三中，模拟器对预设飞行姿态数据进行预处理的方法包括如下步骤：S31、发射惯性系的OaXa轴在水平面内，当三轴飞行转台处于零位时，箭体的俯仰角为90°；模拟器不能将预设飞行姿态数据直接发送给转台，进行角度转换：设定预设飞行姿态数据为：式中，为俯仰角；ψ为偏航角；γ为滚动角；经角度转换后的姿态数据为：S32、将角度转换后的姿态数据进行角度压缩处理，具体为：设定三轴飞行转台的角度压缩后转台外框转角为角度压缩后转台中框转角为角度压缩后状态内框转角为将角度转换后的姿态数据均乘以系数k，k＜1；同时滚转角和俯仰角均乘以cos(ψ)，则：则三轴飞行转台的姿态角变化速率为：经角度转换、角度压缩处理后的姿态数据，三轴飞行转台不会出现超限现象。在上述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，所述步骤五中，对惯组测得的姿态数据进行等比例放大处理的方法为：在上述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，所述步骤六中，将转换为的具体方法为：所述箭体坐标系和惯组坐标系均为右手坐标系，通过3次坐标轴旋转即可重合，设定三次旋转的角度别分为ψI2b、γI2b；为惯组坐标系向箭体系旋转时z轴转角；ψI2b：惯组坐标系向箭体系旋转时y轴转角；γI2b为惯组坐标系向箭体系旋转时x轴转角；则绕z轴的旋转转换矩阵为：绕y轴的旋转转换矩阵为：绕x轴的旋转转换矩阵为：则在上述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，所述步骤七中，箭体姿态角变化率的计算方法为：本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术根据一子级返回段大姿态机动的特性，以及姿态角速率和转台三轴旋转角速率的转换关系，设计了转台指令角奇异变换算法，巧妙地使用转台的小姿态运动模拟出火箭在天上的大姿态运动；(2)本专利技术消除了由奇异点导致的转台不受控高速旋转现象，有效地提高了一子级回收半实物仿真试验的安全性，在火箭子级回收、故障飞行器重规划等涉及飞行器大姿态运动的半实物仿真试验中，具有较高的推广应用价值。附图说明图1为本专利技术仿真模拟流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述。本专利技术提出了一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，根据一子级返回段大姿态机动的特性，以及姿态角速率和转台三轴旋转角速率的转换关系，设计了转台指令角奇异变换算法，巧妙地使用转台的小姿态运动模拟出火箭在天上的大姿态运动，消除了由奇异点导致的转台不受控高速旋转现象，有效地提高了一子级回收半实物仿真试验的安全性，在火箭子级回收、故障飞行器重规划等涉及飞行器大姿态运动的半实物仿真试验中，具有较高的推广应用价值。面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，如图1所示，具体包括如下步骤：步骤一、将箭体安装在三轴飞行转台内框上；实现箭体坐标系Ob-XbYbZb中的O本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一、将箭体安装在三轴飞行转台内框上；实现箭体坐标系O

【技术特征摘要】
1.一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将箭体安装在三轴飞行转台内框上；实现箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObZb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztZzt轴平行且方向相同；箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObYb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztYzt轴平行且方向相同；箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObXb轴与转台坐标系Ozt-XztYztZzt中的OztXzt轴平行且方向相反；
步骤二、将惯组安装在三轴飞行转台内框上；实现惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIYI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObZb轴平行且方向相反；惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIXI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObYb轴平行且方向相反；惯组坐标系OI-XIYIZI中的OIZI轴与箭体坐标系Ob-XbYbZb中的ObXb轴平行且方向相同；建立发射惯性坐标系Oa-XaYaZa；
步骤三、模拟器对预设飞行姿态数据进行预处理，并将预处理后的姿态数据发送至三轴飞行转台；
步骤四、三轴飞行转台带动箭体根据预处理后的姿态数据进行姿态仿真，模拟箭体的飞行姿态；惯组敏感三轴飞行转台的姿态变化，测得三轴飞行转台的姿态数据为惯组测量x轴角速度、为惯组测量y轴角速度、为惯组测量z轴角速度；
步骤五、对惯组测得的姿态数据进行等比例放大处理，获得惯组在空间中的真实角度
步骤六、真实角度为箭体相对于发射惯性坐标系的旋转角速度在惯组坐标系内的分量，将其转换为箭体相对于发射惯性坐标系的旋转角速度在箭体坐标系内的分量ωx1为箭体旋转x轴角速度；ωy1为箭体旋转y轴角速度；ωz1为箭体旋转z轴角速度；
步骤七、计算箭体姿态角变化率积分得到箭体姿态角完成姿态解算。


2.根据权利要求1所述的一种面向火箭回收大姿态翻转的虚实结合仿真模拟方法，其特征在于：
箭体坐标系Ob-XbYbZb的建立方法为：
原点Ob为箭体质心；ObXb为箭体外壳对称轴，且指向箭体头部；ObYb位于火箭纵向对称面内且与ObXb轴垂直，指向上为正；ObZb轴垂直于Ob-XbYb平面，满足右手定则；
转台坐标系Ozt-XztYztZzt的建立方法为：
外框为OztZzt轴，中框为OztYzt轴，内框为OztXzt轴；转台坐标系为左手坐标系，各个轴在输入正值角度指令时的旋转方向为正；
惯组坐标系OI-XIYIZI实...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭博，何巍，陈建伟，李征，王晨，马成，唐俊杰，陶久亮，于一帆，张茜，周潇雅，顾黎，李秋云，黄一翀，王筱宇，郭光超，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11