【技术实现步骤摘要】
一种极大型空间柔性系统在轨自主构建与状态感知方法
[0001]本专利技术属于天线
,具体涉及一种空间柔性系统在轨自主构建与状态感知方法。
技术介绍
[0002]星载天线被广泛应用于电子侦察、空间通信、导航制导及深空探测等领域,是卫星系统的“眼睛”和“耳朵”,起着决定性作用。为满足多功能、多波段、大容量、高功率的需求,星载天线正朝着大口径、高精度、轻质量、高收纳比的方向发展。然而,由于现有火箭整流罩尺寸与发射费用的限制,要求星载天线轻且收拢体积小,故大口径星载天线必须做成可展开模式,即发射时收拢于火箭整流罩内,入轨后自动展开到位。因其广阔的军事及民用前景,使得空间可展开天线结构一直是空间结构研究的重点。
[0003]大型空间可展开天线是20世纪60年代随航天科技发展需求而诞生的一类新型空间展开结构系统,它以高强度比、高刚度比、高几何稳定性、超低热胀系绳等特点的宇航材料为主体,并包含低副可动机构、驱动元件和主动或被动控制器等。此类天线在地面发射时为收拢状态,固定于卫星上;当卫星发射并进入轨道以后,由地面控制中心发射指令,按照其空间轨道上的设计要求,逐步完成展开动作,最终通过锁定并保持为工作状态。需要指出的是,大型是指反射器口径大于等于4米,通常将20米以上的大型空间可展开天线称为20米以上的大型空间可展开天线称为超大型可展开天线,将50米以上称为极大型可展开天线。
[0004]大型可展开天线分为反射面天线、阵列天线和微电子机械天线。反射面天线是各种应用卫星上使用最多的一类天线形式,可作为超高频、微波 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种极大型空间柔性系统在轨自主构建与状态感知方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:构建极大型空间网状天线在轨自主构建策略;极大型空间网状天线系统由五颗卫星构成双金字塔绳系卫星编队系统;其中,三颗副星构成三角形基础面子系统用于支撑网状天线金属网面,顶端锚星和底端锚星位于三角形基础面两侧,三颗副星两两之间、顶端锚星与三颗副星之间、底端锚星与三颗副星之间都分别通过系绳连接,共9根系绳;顶端锚星为系统的馈源星,编号为1;底端锚星为系统的主星,编号为5;三颗副星的编号分别为2、3、4;具体的网状天线系统在轨自主构建策略步骤如下:步骤1
‑
1:将极大型空间网状天线系统一次性总装发射入轨;步骤1
‑
2:网状天线系统自主调整系统姿态,稳定至地球重力梯度方向,系统的主星依次主动弹射出馈源星与中间三角形基础面子系统,在系绳拉伸和地球重力梯度力作用下,馈源星与中间三角形基础面子系统运动至期望位置;步骤1
‑
3:中间基础面子系统自主绕网状天线系统主轴以指定角速度起旋,利用自旋离心力效应展开中间基础面从而展开天线金属网面;步骤1
‑
4:网状天线系统主动调整姿态,利用主星和馈源星主动机动,实现天线对目标指向与变轨;步骤2:基于拉格朗日法进行网状天线系统的动力学建模;步骤2
‑
1:进行如下假设;1)相对于系绳长度,卫星尺寸忽略不计,将卫星视为质点;2)系绳质量相对于卫星质量忽略不计,系绳只受拉力不受压力,只考虑其中的弹性势能;3)天线金属网面的质量相对于卫星质量忽略不计;4)网状天线系统作用在开普勒圆轨道上,旋转角速度为ω0;除控制力外,网状天线系统只受到地球的万有引力,忽略太阳光压、电磁力外力;步骤2
‑
2:定义地心惯性坐标系o
‑
xyz,其原点o为地心,ox轴位于赤道面内并指向春分点方向,oz轴指向地球北极,oy轴由右手螺旋法则确定;网状天线系统中的物理量定义如下:1)顶端锚星的质量为m1,底端锚星的质量为m5,三颗副星的质量分别为m2、m3、m4;2)系绳长度分别为l
nom,12
、l
nom,13
、l
nom,14
、l
nom,23
、l
nom,24
、l
nom,34
、l
nom,25
、l
nom,35
、l
nom,45
;其中下标的数字为卫星的编号;步骤2
‑
3:网状天线系统的动能包括五颗卫星质点的动能,表示为:式中:r
i
=[x
i y
i z
i
]
T
为第i个卫星在地心惯性坐标系中的位置矢量;
网状天线系统的势能包括五个卫星所具有的重力势能和系绳中的弹性势能,其中卫星的重力势能表示为:其中,μ为引力常数,对于地球μ=3.986012
×
105km3/s2;由于系绳具有受拉力不受压力的特性,根据胡克定律得到网状天线系统中系绳的弹性势能表示为:其中,E为系绳弹性模量;A为系绳的横截面面积;系绳变形长度分别为l
12
,l
13
,l
14
,l
23
,l
24
,l
34
,l
25
,l
35
,l
45
,系绳无形变长度分别为l
norm,12
,l
norm,13
,l
norm,14
,l
norm,23
,l
norm,24
,l
norm,34
,l
norm,25
,l
norm,35
,l
norm,45
,当变形后系绳长度大于系绳原长时系数e
i
等于1,否则等于0;系数e
i
代表式(3)中的e
12
,e
13
,e
14
,e
23
,e
24
,e
34
,e
25
,e
35
,e
45
;其中各系绳变形后的长度具体表示为:为:为:为:为:为:为:为:为:步骤2
‑
4:将系统的动能T与势能V=V
G
+V
E
带入拉格朗日方程后得到:
其中,为相应的广义力;将上式整理并化简得到:其中:q=[r
1 r
2 r
3 r
4 r5]
T
...
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