一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，属于航天技术技术领域。包括以下步骤：建立航天器地面微重力半物理仿真平台的空间动力学模型并对空间动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台；基于π定理对航天器地面微重力半物理仿真平台和改写后的仿真平台进行相似性分析，并获取涉及的空间卫星平台参数用于确定改写后的仿真平台的设计参数；为涉及的空间卫星平台设计姿态扫描轨迹及姿态扫描PID控制律，得到空间姿态扫描PID控制律；基于π定理对空间姿态扫描PID控制律进行相似性分析，设计地面微重力仿真平台姿态扫描PID控制律参数，得到地面空间姿态扫描PID控制律。可使该平台的动力学与控制效果与空间实际卫星的效果一致。与控制效果与空间实际卫星的效果一致。与控制效果与空间实际卫星的效果一致。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法


[0001]本专利技术属于航天技术
，涉及一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法。

技术介绍

[0002]随着人类空间活动的深入和不断扩大，满足给类应用的空间飞行器应运而生，其中包括各种用途和功能的航天器、航天飞机、空间站，以及近年来发展起来的新概念空间飞行器等。纵观每一种空间飞行器的研制，都经历了概念研究、总体设计、关键技术验证、地面试验等过程。其中在地面进行关键技术实验是必不可少的环节。考虑到航天器在地面试验中，必须考虑空间环境的特殊性，因此需要模拟在轨环境进行性能测试和运行情况的检验。
[0003]相似性理论是研究系统与系统之间、原型与模型运动参数之间关系的基本理论，它可以给出系统之间相似的准则，建立参数之间的相似关系，从而由一个系统的特性推论出另一个系统的特性，由模型特性推出原型特性。基于相似性理论，可以建立航天器地面实验系统与空间原型系统之间的相似准则和相似关系，从而给出描述空间操作运动的各物理量在空间与地面之间的对应关系以及它们之间的相互约束。基于相似性理论给出的这些关系和约束，我们就可以用地面实验结果推演空间实际运动特性。相似性分析需要做到两个系统间有所关联。当前在地面环境中模拟航天器空间运动的实验方法有多种，如吊丝系统、气浮台系统、中性浮力水池系统等，但其均无法达到引力波探测所需的微重力水平。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中地面环境中模拟航天器空间运动的实验方法均无法达到引力波探测所需的微重力水平的技术问题，提供一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法。本专利技术所分析的航天器地面微重力仿真平台通过结构设计可以在地面环境模拟极高的微重力水平，有力的支持了引力波探测卫星的地面实验，通过本专利技术中的相似性分析方法，可使该平台的动力学与控制效果与空间实际卫星的效果一致。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，包括以下步骤：
[0007]建立航天器地面微重力半物理仿真平台的空间动力学模型并对空间动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台；
[0008]基于π定理对航天器地面微重力半物理仿真平台和改写后的仿真平台进行相似性分析，并获取涉及的空间卫星平台参数用于确定改写后的仿真平台的设计参数；
[0009]为涉及的空间卫星平台设计姿态扫描轨迹及姿态扫描PID控制律，得到空间姿态扫描PID控制律；
[0010]基于π定理对空间姿态扫描PID控制律进行相似性分析，设计地面微重力仿真平台姿态扫描PID控制律参数，得到地面姿态扫描PID控制律。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：
[0012]所述改写后的仿真平台具体通过以下步骤得到：
[0013]对航天器地面微重力半物理仿真平台建立动力学分析坐标系，规定所需变量；
[0014]在动力学分析坐标系中根据拉格朗日动力学推导出航天器地面微重力半物理仿真平台的动力学模型；
[0015]作出合理假设，对动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台。
[0016]所述建立动力学分析坐标系的具体步骤为：
[0017]建立惯性坐标系：原点位于地台下底面中心；望远镜夹角平分线方向为x轴方向，与当地重力方向相反的方向为z轴方向，y轴与x轴和z轴的关系由右手坐标系确定；
[0018]对平台上板建立平台坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；三坐标轴与所述惯性坐标系三坐标轴指向一致；
[0019]对外框建立外框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合；外框与平台上板连接的枢轴是沿外框坐标系y轴方向布置；
[0020]对中框建立中框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合，绕x轴转动；中框与外框连接的枢轴是沿中框坐标系x轴方向布置；
[0021]对内框建立内框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合，绕z轴转动；内框与中框连接的枢轴是沿内框坐标系z轴方向布置；
[0022]所述惯性坐标系用I表示；所述平台坐标系用P表示；所述外框坐标系用O表示；所述中框坐标系用M表示；所述内框坐标系用N表示；
[0023]规定惯性系中心坐标为(0,0,0)
I
；平台上板四枢轴中心为(0,0,l)
I
，或表示为(0,0,
‑
h1)
P
，h1为平台上板四枢轴中心到转动部分三轴转心的距离；平台上板重心为(x4,y4,z4)
P
；外框重心坐标为(x1,y1,z1)
O
；中框重心坐标为(x2,y2,z2)
M
；内框重心坐标为(x3,y3,z3)
N
；平台上板、外框、中框和内框的质量分别为m
P
,m
O
,m
M
和m
N
；
[0024]其中，上标I代表坐标在I坐标系下表示；上标P代表坐标在P坐标系下表示；上标O代表坐标在O坐标系下表示；上标M代表坐标在M坐标系下表示；上标N代表坐标在N坐标系下表示；l为连杆长；h1为平台上板四枢轴中心到转动部分三轴转心的距离；
[0025]对于外框，假设外框绕y轴的转动为θ4，且框的惯量主轴与外框系重合，其质心处惯量矩阵为I
O
＝diag(I
11,O
,I
22,O
,I
33,O
)；其相较于惯性系的转动角速度为：
[0026][0027]对于中框，假设中框绕x轴的转动为θ3，且框的惯量主轴与中框系重合，其惯量矩阵为I
M
＝diag(I
11,M
,I
22,M
,I
33,M
)；其相较于惯性系的转动角速度为：
[0028][0029]对于内框，假设外框绕z轴的转动为θ5，其惯量矩阵为：
[0030][0031]其相较于惯性系的转动角速度为：
[0032][0052]内框转动惯量调平假设：航天器地面微重力半物理仿真平台的内框在设计与装配过程中经过调平，因此转动惯量满足一定关系：
[0053]I
12,N
＝0，I
13,N
＝0，I
21,N
＝0，I
23,N
＝0，I
31,N
＝0，I
32,N
＝0
[0054]由于航天器地面微重力半物理仿真平台在z方向的平动自由度不考虑，因此只考虑空间卫星平台的5个自由度；舍弃z方向平动方程，空间卫星平台动力学方程：
[0055][0056][0057][0058][0059][0060]因此再引入假设：
[0061]航天器地面微重力半物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：建立航天器地面微重力半物理仿真平台的空间动力学模型并对空间动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台；基于π定理对航天器地面微重力半物理仿真平台和改写后的仿真平台进行相似性分析，并获取涉及的空间卫星平台参数用于确定改写后的仿真平台的设计参数；为涉及的空间卫星平台设计姿态扫描轨迹及姿态扫描PID控制律，得到空间姿态扫描PID控制律；基于π定理对空间姿态扫描PID控制律进行相似性分析，设计地面微重力仿真平台姿态扫描PID控制律参数，得到地面姿态扫描PID控制律。2.根据权利要求1所述的航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，其特征在于，所述改写后的仿真平台具体通过以下步骤得到：对航天器地面微重力半物理仿真平台建立动力学分析坐标系，规定所需变量；在动力学分析坐标系中根据拉格朗日动力学推导出航天器地面微重力半物理仿真平台的动力学模型；作出合理假设，对动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台。3.根据权利要求2所述的航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，其特征在于，所述建立动力学分析坐标系的具体步骤为：建立惯性坐标系：原点位于地台下底面中心；望远镜夹角平分线方向为x轴方向，与当地重力方向相反的方向为z轴方向，y轴与x轴和z轴的关系由右手坐标系确定；对平台上板建立平台坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；三坐标轴与所述惯性坐标系三坐标轴指向一致；对外框建立外框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合；外框与平台上板连接的枢轴是沿外框坐标系y轴方向布置；对中框建立中框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合，绕x轴转动；中框与外框连接的枢轴是沿中框坐标系x轴方向布置；对内框建立内框坐标系：原点位于转动部分三轴转动中心；标称状态下与平台系重合，绕z轴转动；内框与中框连接的枢轴是沿内框坐标系z轴方向布置；所述惯性坐标系用I表示；所述平台坐标系用P表示；所述外框坐标系用O表示；所述中框坐标系用M表示；所述内框坐标系用N表示；规定惯性系中心坐标为(0,0,0)
I
；平台上板四枢轴中心为(0,0,l)
I
，或表示为(0,0,
‑
h1)
P
，h1为平台上板四枢轴中心到转动部分三轴转心的距离；平台上板重心为(x4,y4,z4)
P
；外框重心坐标为(x1,y1,z1)
O
；中框重心坐标为(x2,y2,z2)
M
；内框重心坐标为(x3,y3,z3)
N
；平台上板、外框、中框和内框的质量分别为m
P
,m
O
,m
M
和m
N
；其中，上标I代表坐标在I坐标系下表示；上标P代表坐标在P坐标系下表示；上标O代表坐标在O坐标系下表示；上标M代表坐标在M坐标系下表示；上标N代表坐标在N坐标系下表示；l为连杆长；h1为平台上板四枢轴中心到转动部分三轴转心的距离；对于外框，假设外框绕y轴的转动为θ4，且框的惯量主轴与外框系重合，其质心处惯量矩阵为I
O
＝diag(I
11,O
,I
22,O
,I
33,O
)；其相较于惯性系的转动角速度为：
对于中框，假设中框绕x轴的转动为θ3，且框的惯量主轴与中框系重合，其惯量矩阵为I
M
＝diag(I
11,M
,I
22,M
,I
33,M
)；其相较于惯性系的转动角速度为：对于内框，假设外框绕z轴的转动为θ5，其惯量矩阵为：其相较于惯性系的转动角速度为：上述的转移矩阵为：随后对上述各个参量向惯性坐标系进行统一，得到各个参量坐标如下：平台上板四枢轴中心(lsinθ1cosθ2,lsinθ2,lcosθ1cosθ2)，平台三轴转动中心(lsinθ1cosθ2,lsinθ2,lcosθ1cosθ2+h1)、平台上板重心(lsinθ1cosθ2+z4,lsinθ4+z4,lcosθ1cosθ2+h1+z4)，外框重心中框重心内框重心4.根据权利要求3所述的航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，其特征在于，所述推导出航天器地面微重力半物理仿真平台的拉格朗日动力学方程的步骤具体为：动能分为绕质心转动动能和绕质心平动动能：其中，V
O
为外框的速率，V
M
为中框的速率，V
N
为内框的速率，V
P
为平台上板的速率；T为动能；求解势能：其中，z
O
为外框重心在惯性坐标系下z方向的分量，z
M
为中框重心在惯性坐标系下z方向的分量，z
N
为内框重心在惯性坐标系下z方向的分量，z
P
为平台上板重心在惯性坐标系下z方向的分量；U为势能；拉格朗日量计算为L＝T
‑
U；拉格朗日动力学方程的左端项计算公式为：对于拉格朗日方程右端项的计算，在内框系下受力的位矢为(x
F
,y
F
,z
F
)
N
，则对于惯性系位矢为力在内框系下大
小为F
N
＝(F
x
；F
y
；F
z
)
N
，有在惯性系下拉格朗日动力学方程的右端项计算公式为：5.根据权利要求4所述的航天器地面微重力仿真平台相似性分析方法，其特征在于，所述作出合理假设，对动力学模型进行拉格朗日动力学改写，得到改写后的仿真平台包括以下步骤：小角度假设：航天器地面微重力半物理仿真平台在运动过程中各个枢轴的转动角度极小，满足小角度假设，即cosθ1＝1,sinθ1＝θ1,cosθ2＝1,sinθ2＝θ2,cosθ3＝1,sinθ3＝θ3,cosθ4＝1,sinθ4＝θ4,cosθ5＝1,sinθ5＝θ5内框转动惯量调平假设：航天器地面微重力半物理仿真平台的内框在设计与装配过程中经过调平，因此转动惯量满足一定关系：I
12,N
＝0，I
13,N
＝0，I
21,N
＝0，I
23,N
＝0，I
31,N
＝0，I
32,N
＝0由于航天器地面微重力半物理仿真平台在z方向的平动自由度不考虑，因此只考虑空间卫星平台的5个自由度；舍弃z方向平动方程，空间卫星平台动力学方程：间卫星平台的5个...

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，岳承磊，岳晓奎，章楚，段俐，代洪华，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：