一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法技术

一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法涉及航天器姿态控制技术领域，解决了需要非约束模态频率的计算方法的问题。方法包括：建立带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程并线性化，采用拉普拉斯变换处理得到卫星结构动力学特征方程；建立SADA驱动挠性帆板动力学方程并线性化，采用拉普拉斯变换处理得到SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程；解SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程得到SADA与挠性帆板系统非约束模态频率与阻尼比，据此求解卫星结构动力学特征方程得到卫星系统非约束模态频率与阻尼比。本发明专利技术针对带有双轴SADA驱动挠性帆板刚柔耦合卫星挠性抑制控制律设计问题提出，且计算出的卫星非约束模态频率更具有参考意义。出的卫星非约束模态频率更具有参考意义。出的卫星非约束模态频率更具有参考意义。

【技术实现步骤摘要】
一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法


[0001]本专利技术涉及航天器姿态控制
，具体涉及一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法。

技术介绍

[0002]现代卫星为实现高精度遥感探测，除了平台需要有足够的指向精度与稳定度，还要保证有效载荷的光轴指向精度和稳定度。但平台常带有大型挠性太阳帆板、天线等挠性附件，具有整星自由度多、挠性大、低频模态密集、模态耦合程度高、结构阻尼小等特点。太阳帆板驱动系统(Solar Array Drive System,SADS)一般由太阳帆板及其驱动装置(Solar Array Drive Assembly,SADA)组成。SADA内部激扰因素会产生附加扰动力矩，挠性体一旦受到这种周期性激振力的作用，其振动持续时间就会增长，还会与其它部件产生耦合振动，使卫星姿态控制稳定性变差。
[0003]抑制挠性振荡的最简易方法是压缩闭环控制回路的带宽，使系统非约束模态频率位于控制带宽之外。带有双轴SADA驱动挠性帆板的刚柔耦合卫星，其帆板振动基频低、质量相对较大，并且有较大翘角，星体的转动惯量会出现周期性变化。
[0004]因此针对带有双轴SADA驱动挠性帆板的刚柔耦合卫星的挠性抑制控制律设计问题，需要设计一种非约束模态频率的计算方法，为卫星动力学频谱规划和控制系统设计提供输入。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法。
[0006]本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，包括如下步骤：
[0008]S1、采用混合坐标法建立带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程，并线性化该刚柔耦合卫星动力学方程；建立SADA驱动挠性帆板动力学方程，并线性化该SADA驱动挠性帆板动力学方程；
[0009]S2、将线性化后的刚柔耦合卫星动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到卫星结构动力学特征方程，将线性化后的SADA驱动挠性帆板动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程；
[0010]S3、解SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程得到SADA与挠性帆板系统第k阶非约束模态频率Ω
′
k
与阻尼比ξ
′
k
，根据Ω
′
k
与ξ
′
k
求解卫星结构动力学特征方程得到卫星系统第k'阶非约束模态频率ω
k'
与阻尼比ζ
k'
。
[0011]本专利技术的有益效果是：
[0012]本专利技术的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，是针对带有双轴SADA驱动挠性帆板的刚柔耦合卫星的挠性抑制控制律设计问题提出的新方法，是一种非约束模态频率的计算方法，为卫星动力学频谱规划和控制系统设计提供输入。本专利技术将SADA与帆板作为
整体，其系统的模态频率与阻尼比更接近真实，从而计算出的卫星非约束模态频率更具有参考意义。
附图说明
[0013]图1为带双轴SADA的卫星示意图。
[0014]图2为本专利技术的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法的流程图。
[0015]图3为本专利技术的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法的太阳帆板前5阶振型图。
[0016]图4为本专利技术的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法计算的卫星带单个帆板时的非约束模态频率图。
[0017]图5为本专利技术的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法计算的卫星带双侧帆板时的非约束模态频率图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。
[0019]本专利技术一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法可以计算多个帆板时的非约束模态频率。
[0020]卫星带有双侧帆板时的示意图如图1所示，卫星本体B固连于卫星的O
b
X
b
Y
b
Z
b
直角坐标系为卫星本体坐标系，坐标原点O
b
在卫星的质心处，+X
b
轴与卫星飞行方向同向，+Z
b
轴垂直于卫星对接环与运载器过渡段对接面，指向光学相机，+Y
b
轴按右手法则确定。对地定向无姿态偏差时，与卫星轨道坐标系重合。SADA
‑
A轴用于驱动帆板绕卫星本体坐标系Y
b
轴以轨道角速度旋转，以跟踪太阳光线，转动范围为
‑
180
°
～+180
°
；SADA
‑
B轴用于驱动帆板绕卫星本体坐标系X
b
轴摆动至固定角度，使太阳光线垂直照射于帆板，转动范围为0
°
～40
°
。帆板为两个，即挠性帆板A1和挠性帆板A2。
[0021]本专利技术一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法的计算流程图如图2所示，包括以下步骤：
[0022]S1、采用混合坐标法建立带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程，并线性化该刚柔耦合卫星动力学方程；建立SADA驱动挠性帆板动力学方程，并线性化该SADA驱动挠性帆板动力学方程；
[0023]S2、将线性化后的刚柔耦合卫星动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到卫星结构动力学特征方程，将线性化后的SADA驱动挠性帆板动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程；
[0024]S3、解SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程得到SADA与挠性帆板系统第k阶非约束模态频率Ω
′
k
与SADA与挠性帆板系统第k阶非约束模态阻尼比ξ
′
k
，根据Ω
′
k
与ξ
′
k
求解卫星结构动力学特征方程得到卫星系统第k'阶非约束模态频率ζ
k'
与卫星系统第k阶非约束模态阻尼比ζ
k'
。
[0025]下文对本专利技术进行详述，其中刚柔耦合卫星动力学方程和SADA驱动挠性帆板动力学方程不区分先后关系，下面将S1按照步骤一至步骤四进行详述。
[0026]步骤一、建立带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学模型
[0027]采用混合坐标法建立带挠性帆板卫星的姿态运动：中心刚体用通常描述刚体姿态的欧拉角表示，挠性附件则用离散的模态坐标表示。定义以下：
[0028]整星转动惯量矩阵I
s
，整星相对惯性系角速度矢量ω
s
，第i个(i为正整数)挠性帆板相对中心刚体旋转角速度矢量ω
iA
，第i个SADA与挠性帆板系统模态频率Ω
′
i
，第i个SADA与挠性帆板系统模态阻尼比ξ
i
′
，第i个SADA与挠性帆板系统模态坐标η
i
，第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用混合坐标法建立带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程，并线性化该刚柔耦合卫星动力学方程；建立SADA驱动挠性帆板动力学方程，并线性化该SADA驱动挠性帆板动力学方程；S2、将线性化后的刚柔耦合卫星动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到卫星结构动力学特征方程，将线性化后的SADA驱动挠性帆板动力学方程采用拉普拉斯变换处理，得到SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程；S3、解SADA驱动挠性帆板的动力学特征方程得到SADA与挠性帆板系统第k阶非约束模态频率Ω
′
k
与阻尼比ξ
′
k
，根据Ω
′
k
与ξ
′
k
求解卫星结构动力学特征方程得到卫星系统第k'阶非约束模态频率ω
k
′
与阻尼比ζ
k
′
。2.如权利要求1所述的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，其特征在于，所述带i个挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程为：其中，I
s
表示整星转动惯量矩阵，ω
s
表示整星相对惯性系角速度矢量，表示ω
s
的斜对称矩阵形式，h
w
表示飞轮角动量，表示帆板挠性振动耦合到星体上的力矩，表示帆板旋转运动耦合到星体上的力矩，T
d
表示整星所受外干扰力矩，T
w
表示飞轮控制力矩，ω
iA
表示第i个挠性帆板相对中心刚体旋转角速度矢量，i为正整数，Ω
′
i
表示第i个SADA与挠性帆板系统的模态频率，ξ
i
′
表示第i个SADA与挠性帆板系统的模态阻尼比，η
i
表示第i个SADA与挠性帆板系统的模态坐标，F
iS
表示第i个挠性帆板振动与星体转动耦合系数，R
ias
表示第i个挠性帆板转动与星体转动耦合系数，R
isa
表示第i个挠性帆板转动与整星转动耦合惯性并矢，I
ia
表示第i个挠性帆板转动惯量矩阵，F
iA
表示第i个挠性帆板自身振动与转动耦合系数，表示第i个挠性帆板在连接点处与星体的相互作用力矩T
ip
。3.如权利要求2所述的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，其特征在于，所述线性化该刚柔耦合卫星动力学方程的过程为：卫星的在轨模态是其固有特性情况下，公式(1)简化为：将ω
s
转换成欧拉角的表达式为：
其中，ω0表示卫星的轨道角速度；将公式(3)代入公式(2)，得线性化后的带挠性帆板刚柔耦合卫星动力学方程。4.如权利要求3所述的一种带双轴SADA卫星的模态频率计算方法，其特征在于，所述线性化后...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩霜雪，龚泽宇，范林东，邢斯瑞，戴路，钟兴，
申请(专利权)人：长光卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：