本发明专利技术涉及一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，属于航天器飞行控制仿真领域；基于时变ALE方法建立绳索与子母双卫星的柔性多体系统动力学模型，即绳系双星模型；根据绳系双星模型在轨任务整个过程，在绳系双星模型中添加约束方程；在绳系双星模型中所有单元节点引入引力场加速度及系统质心轨道系的惯性加速度之和a<subgt;F</subgt;；并根据引入的惯性加速度之和a<subgt;F</subgt;对约束方程进行优化，完成建模；本发明专利技术通过引入非惯性系描述轨道对绳系双星相对姿态动力学的影响，对绳系双星在轨释放全物理过程进行了剖析，整个过程包括组合体在轨分离、保持、回收、切割等，已应用于在研绳系双星的数学仿真验证。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天器飞行控制仿真领域，涉及一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法。
技术介绍
1、绳系卫星指在轨利用绳索进行展开释放等一系列操作的卫星组，最早于19世纪提出。在传统的绳系卫星建模中，绳索可以认为是连续体、简单刚性杆或集中质量模型等，其中集中质量模型可以通过改变质点个数来模拟绳索回收和释放，但无法准确描述其动力学过程，目前对于柔性索比较常用的高精度建模方法有绝对节点坐标法(absolute nodalcoordinate formulation，简称ancf)以及任意拉格朗日-欧拉方法(arbitrary lagrange-euler，简称ale)，后者在在处理变质量柔性索方面存在优势，通过假设可以描述结构的大位移、大转动以及大变形。然而，由于缺少实际工程因素的融入，该类高精度建模方法还没有很好地应用于绳系卫星的仿真验证中。
2、目前，绳系或含索网等大柔性部件的新型航天器研制已经提上日程，传统动力学建模方法难以准确描述其动力学特性，而高精度多体动力学仿真方法缺少实际工程背景，大多不具备直接应用于型号仿真的状态。
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，通过引入非惯性系描述轨道对绳系双星相对姿态动力学的影响，对绳系双星在轨释放全物理过程进行了剖析，整个过程包括组合体在轨分离、保持、回收、切割等，已应用于在研绳系双星的数学仿真验证。
2、本专利技术解决技术的方案是：
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p>3、一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，包括：4、基于时变ale方法建立绳索与子母双卫星的柔性多体系统动力学模型，即绳系双星模型；
5、根据绳系双星模型在轨任务整个过程，在绳系双星模型中添加约束方程；
6、在绳系双星模型中所有单元节点引入引力场加速度及系统质心轨道系的惯性加速度之和af；并根据引入的惯性加速度之和af对约束方程进行优化，完成建模。
7、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，柔性多体系统动力学模型的建立方法为：
8、子母双卫星均为三维刚体；系绳为时变柔性绳索；系绳与卫星之间采用球铰约束。
9、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，初始阶段，子母双卫星为连接在一起的组合体；组合体在未解锁时双星刚体之间存在固定约束，约束方程为：
10、cfix＝qsat1-qsat2＝0
11、式中，cfix为固定约束广义坐标函数；
12、qsat1、qsat2分别为双星的广义坐标。
13、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，组合体在轨分离阶段，设置该约束失效，同时根据工程实际解锁器特性设置对双星的反向瞬时冲量p，模拟解锁时双星分离的动力学状态，满足牛顿第三定律。
14、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，绳索连接双星的连接点处，在未切割时设置了球较约束，约束方程为：
15、csphere＝rrigid-ri＝0
16、式中，csphere为球较约束广义坐标函数；
17、rrigid为刚体连接点的空间位置矢量；
18、ri为绳索端点的空间位置矢量；
19、当发生切割时，设置两球较约束失效，绳索张力的瞬间消失实现自然地描述绳索切割过程对两星的冲击。
20、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，针对母星对绳索主动收放状态，采用离散状态空间描述绳速传递过程，完成对绳索速度控制的模拟；
21、利用时变长度的ale索单元对绳系建模时，绳系的收放对应着ale索单元物质坐标的变化；收放绳为控制绳子放出或收回的速度，对应于多体动力学方程中对ale索单元物质坐标速率的一个约束方程，表示为：
22、
23、式中，c为约束；
24、为ale单元物质坐标速率；
25、v为控制绳子放出或收回的速度大小。
26、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，当子母双卫星为组合体状态时，绳索多余的长度通过卡扣限位在子星内；当绳索张力大于一定值后才进行放绳的操作；因此添加出绳口节点施加速度依赖的摩擦力约束；将子星出绳口与绳索的摩擦力约束建模为广义力fe：
27、
28、式中，f为对物质坐标的广义摩擦力；
29、03×1表示3×1全零列向量。
30、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，使用的摩擦模型为速度依赖模型，摩擦作用对物质坐标p的广义摩擦力为：
31、
32、式中，为ale单元物质坐标速率；
33、vs为最大静摩擦力出现对应的相对速度阈值；
34、fs为最大静摩擦力，即卡口的约束力；
35、vd为滑动摩擦力出现的相对速度阈值；
36、fd为滑动摩擦力，即绳索放出时卡扣给予的阻力；
37、sign为符号函数；
38、spline为三次平滑曲线函数；
39、符号函数sign为：
40、
41、三次平滑曲线函数spline为：
42、
43、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，惯性加速度之和af为：
44、
45、式中，r为地球球心到系统质心的位置矢量；
46、rp为系统质心到某单元节点的位置矢量；
47、为统质心到某单元节点的相对速度矢量；
48、μ为地球引力常数；
49、ao为系统质心相对于惯性系的平动加速度；
50、ω表示轨道系的惯性角速度；
51、ε表示轨道系的惯性角加速度。
52、在上述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，根据引入的惯性加速度之和af对子星出绳口与绳索的摩擦力约束fe进行优化，优化后的fe为：
53、
54、式中，n1为描述ale绳索单元第一端点运动的形函数；
55、p1为ale绳索单元第一端点的坐标；
56、p2为ale绳索单元第二端点的坐标。
57、本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
58、(1)本专利技术实现了符合工程应用需求的绳系双星在轨分离、保持、回收、切割等全过程动力学的连续仿真；
59、(2)本专利技术的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其新颖性在于基于对绳系双星在轨释放全物理过程的剖析，以合理的力学模型对各个物理过程进行了模拟；
60、(3)本专利技术根据绳系双星模型在轨任务整个过程，在绳系双星模型中添加了很多符合工程实际的约束方程，包括双星刚体之间的固定约束、对ale索单元物质坐标速率的约束方程以及摩擦力约束等，相比于现有的模型建立更加真实合理。
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【技术保护点】
1.一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：柔性多体系统动力学模型的建立方法为：
3.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：初始阶段，子母双卫星为连接在一起的组合体；组合体在未解锁时双星刚体之间存在固定约束，约束方程为：
4.根据权利要求3所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：组合体在轨分离阶段，设置该约束失效，同时根据工程实际解锁器特性设置对双星的反向瞬时冲量P，模拟解锁时双星分离的动力学状态，满足牛顿第三定律。
5.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：绳索连接双星的连接点处，在未切割时设置了球较约束，约束方程为：
6.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：针对母星对绳索主动收放状态，采用离散状态空间描述绳速传递过程，完成对绳索速度控制的模拟；
7.根据权利要求3所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：当子母双卫星为组合体状态时，绳索多余的长度通过卡扣限位在子星内；当绳索张力大于一定值后才进行放绳的操作；因此添加出绳口节点施加速度依赖的摩擦力约束；将子星出绳口与绳索的摩擦力约束建模为广义力Fe：
8.根据权利要求7所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：使用的摩擦模型为速度依赖模型，摩擦作用对物质坐标p的广义摩擦力为：
9.根据权利要求8所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：惯性加速度之和aF为：
10.根据权利要求9所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：根据引入的惯性加速度之和aF对子星出绳口与绳索的摩擦力约束Fe进行优化，优化后的Fe为：
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【技术特征摘要】
1.一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：柔性多体系统动力学模型的建立方法为：
3.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：初始阶段，子母双卫星为连接在一起的组合体；组合体在未解锁时双星刚体之间存在固定约束，约束方程为：
4.根据权利要求3所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：组合体在轨分离阶段，设置该约束失效，同时根据工程实际解锁器特性设置对双星的反向瞬时冲量p，模拟解锁时双星分离的动力学状态，满足牛顿第三定律。
5.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法，其特征在于：绳索连接双星的连接点处，在未切割时设置了球较约束，约束方程为：
6.根据权利要求1所述的一种绳系双星在轨释放全过程动力学建模方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：于强，涂俊峰，胡海霞，陈守磊，陈超，谈树萍，陆栋宁，姚嘉伦，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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