一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法技术

本发明专利技术提出一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，步骤为：步骤1：设计含有对消动量轮的多体卫星构型；包括中心刚体

【技术实现步骤摘要】
一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法


[0001]本专利技术针对含有树状结构刚性附件的多体遥感卫星，提出一种含有对消动量轮的卫星构型，并基于递推凯恩方法建立其动力学模型，本专利技术属于多体系统动力学领域
。

技术介绍

[0002]遥感卫星是与人类生活密切相关的一类卫星，在地形测绘
、
气象预报
、
资源勘查
、
环境监测与防灾减灾等领域都得到了广泛应用
。
目前已发射的遥感卫星通常采用光学载荷与星体直接相连的构型，这种构型结构简单
、
建模方法成熟，但由于星体的运动会受到各种限制，且星体处于部分姿态时载荷无法工作，导致载荷的运动自由度与敏捷度受到影响
。
因此，为提高光学载荷的成像能力，设计一种新的卫星构型具有重要意义
。
[0003]传统遥感卫星的光学载荷通常与星体固连，载荷相对星体没有运动自由度，只能随着卫星的姿态机动同步运动
。
若采用转动机构驱动光学载荷转动，则载荷相对星体可具有一定的转动自由度
。
在执行观测任务时，若星体姿态发生变化，仍可通过转动机构驱动载荷维持原本的姿态继续进行观测任务，载荷的工作过程不再依赖星体的姿态，从而有效延长了观测时间窗口，提高了载荷的观测能力
。
此外，采用转动机构驱动光学载荷转动时，光学载荷在转动过程中会对星体造成较大的干扰力矩，从而对星体姿态造成影响
。
目前在工程应用中通常采用星体的姿态控制器对这一干扰力矩进行补偿，在光学载荷的质量
、
转动惯量较大的情况下，控制系统往往需要输出较大的控制力矩，容易造成姿态控制执行机构饱和
。
[0004]针对由星体
、
光学载荷及转动机构构成的多体系统，由于各个构件的运动相互耦合，传统的单刚体卫星动力学建模方法已不再适用，需要建立多体动力学模型以准确描述各个构件的运动
。
目前常用的多体系统建模方法有牛顿
‑
欧拉方法
、Lagrange
方法
、
虚功原理
、
凯恩方法等
。
这些建模方法可给出显式的动力学方程，便于进行控制器设计，但随着系统构件数量自由度的增加，其建模复杂度和计算量会急剧增大，动力学方程的形式十分繁琐，为建模推导过程和数值仿真计算带来困难
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种含有对消动量轮的多体遥感卫星构型设计方案，通过对消动量轮的转动抵消光学载荷转动过程中对星体产生的干扰力矩，并基于递推凯恩方法建立该卫星的动力学模型
。
[0006]针对上述问题，本专利技术技术方案如下：
[0007]首先设计含有对消动量轮的多体卫星构型，包括中心刚体
、
光学载荷和转动机构，转动机构采用两根转轴驱动光学载荷转动，在两根转轴上分别安装一枚对消动量轮，用于抵消载荷转动过程中对星体产生的干扰力矩；然后基于矩阵形式的凯恩方法建立单刚体系统的动力学方程；之后根据相邻体之间的运动关系，建立系统的递推运动学关系式；最后将递推运动学关系式与单体动力学方程相结合，建立递推动力学关系式，并使用递推动力学
关系式从系统末端开始逆推对动力学方程进行更新，得到中心体的动力学方程并计算中心体运动变量，再根据递推运动学关系式顺推求解其余各体运动变量
。
具体操作步骤如下：
[0008]步骤1：设计含有对消动量轮的多体卫星构型
[0009]本专利技术所设计的多体遥感卫星主要由如下几个部分构成：
[0010]1)
中心刚体：中心刚体是卫星的主体构件，承载着卫星的基本功能，其余构件均安装在中心刚体上
。
[0011]2)
载荷转动机构：载荷转动机构由光学载荷和两根转轴构成，转轴1安装在中心刚体上，转轴2安装在转轴1末端，光学载荷与转轴2末端固连，通过两根转轴的转动驱动光学载荷转动，使得光学载荷相对星体具有2个转动自由度
。
[0012]3)
对消动量轮：对消动量轮与转轴同轴安装，动量轮1与转轴1同轴，动量轮2与转轴2同轴，通过控制对消动量轮转动，可大部分抵消光学载荷转动对星体造成的干扰力矩，降低对星体姿态的影响
。
[0013]根据以上介绍，所设计的多体卫星构型示意图如图1所示
。
[0014]步骤2：建立所设计的多体遥感卫星的动力学模型
[0015]采用递推凯恩方法建立卫星的动力学模型，具体包括以下步骤：
[0016]步骤
2.1
：单刚体动力学模型建立
[0017]研究如图2所示的任意刚体
B
：
[0018]设：
[0019]本体坐标系其单位基向量为
e
b
，原点位于
P
点；
[0020]惯性坐标系其单位基向量为
e
；
[0021]设刚体
B
上任意质点
dm
i
：
[0022]相对原点的矢径为
[0023]相对原点的矢径为设
P
点：
[0024]相对原点的矢径为
[0025]根据上述定义，质点
dm
i
相对原点的矢径可表示为：
[0026][0027]对上式在惯性坐标系下求导，得到
dm
i
相对原点的速度可表示为：
[0028][0029]式中：
[0030]为质点
dm
i
相对的速度；
[0031]为相对的速度，在中的分量列阵为
V
；
[0032]为相对的角速度，在中的分量列阵为
Ω
。
[0033]将式
(2)
改写为矩阵形式：
[0034][0035]定义广义速度为：
[0036]u1＝
V
[0037]u2＝
Ω (4)
[0038]则相应的偏速度为：
[0039][0040][0041]式
(3)
在
F
e
中再次求导：
[0042][0043]将式
(5)
与式
(6)
代入
Kane
方程中，化简可得单刚体动力学方程：
[0044][0045]式中：
[0046]刚体
B
相对原点的静矩；
[0047]刚体
B
相对原点的惯量矩阵；
[0048]F
P
、T
P
、F
Q
、T
Q
：作用于
P、Q
点的力与力矩在中的分量列阵；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：设计含有对消动量轮的多体卫星构型；包括中心刚体
、
载荷转动机构和对消动量轮，载荷转动机构由光学载荷和两根转轴构成，在两根转轴上分别安装一枚对消动量轮，用于抵消载荷转动过程中对星体产生的干扰力矩；步骤2：建立多体遥感卫星的动力学模型；采用矩阵形式的凯恩方法建立单刚体动力学模型的动力学方程；之后根据相邻体之间的运动关系，建立递推运动学方程；最后将递推运动学方程与单刚体动力学模型相结合，建立系统递推动力学方程，并进行更新，得到中心体的动力学方程并计算中心体运动变量，再根据递推运动学方程顺推求解其余各体运动变量
。2.
根据权利要求1所述的一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于：单刚体动力学模型建立；质点
dm
i
相对原点的矢径表示为：对上式在惯性坐标系下求导，得到
dm
i
相对原点的速度表示为：式中：为质点
dm
i
相对的速度；为相对的速度，在中的分量列阵为
V
；为相对的角速度，在中的分量列阵为
Ω
；将式
(2)
改写为矩阵形式：定义广义速度为：
u1＝
Vu2＝
Ω (4)
则相应的偏速度为：则相应的偏速度为：式
(3)
在
F
e
中再次求导：
3.
根据权利要求2所述的一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于：将式
(5)
与式
(6)
代入
Kane
方程中，化简得到单刚体动力学方程：
式中：刚体
B
相对
F
b
原点的静矩；刚体
B
相对原点的惯量矩阵；
F
P
、T
P
、F
Q
、T
Q
：作用于
P、Q
点的力与力矩在中的分量列阵；
r
P,Q
：由
P
点指向
Q
点的矢量在中的分量列阵
。4.
根据权利要求3所述的一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于：式
(7)
进一步写为：式中：刚体
B
的质量矩阵；刚体
B
的广义速度；方程的非线性项；刚体
B
的广义主动力；广义主动力由
Q
点等效向
P
点的转换矩阵
。5.
根据权利要求1所述的一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于：递推运动学方程的建立；两刚体的编号分别为
j
与
c(j)
，
j
与
c(j)
通过铰链
h
j
相连；从简化建模的角度考虑，认为与的三轴指向相同，即：的三轴指向相同，即：与的角速度关系为：将式
(10)
改写成矩阵形式：
Ω
j
＝
A
j,c(j)
Ω
c(j)
+
ω
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
式中：为相对于的角速度，在中的分量列阵为
Ω
j
；为相对于的角速度，在中的分量列阵为
Ω
c(j)
；为相对于的角速度，在中的分量列阵为
ω
j
；对式
(11)
进一步求导：进一步求导：式
(12)
整理为：
6.
根据权利要求5所述的一种含有对消动量轮的多体卫星构型设计与动力学建模方法，其特征在于：由于在卫星构型中转轴仅绕其轴向转动，因此将铰链
h
j
视为柱铰，则在连接处与仅有相对转动而无相对平动，此时与的速度关系为：将式
(15)
改写成矩阵形式：式中：为相对于的速度，在中的分量列阵为
V
j
；为相对于的速度，在中的分量列阵为
V
c(j)
；为由
P
c(j)
指向
Q
c(j)
的矢径，在中的分量列阵为
l
c(j)
；对式
(16)
进一步求导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，金磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：