[發明專利]一種星間相對位姿耦合同構一體化動力學建模方法

在審

• 申請號: 201811508909.2
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109766580A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 孫俊;張憲亮
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 圣冬冬

一種用于柔性航天器編隊的星間相對位姿耦合同構一體化動力學建模方法，涉及航天器編隊的動力學高精度建模方法，具體涉及一種用于柔性航天器編隊的，考慮編隊星間相對位姿?結構振動耦合的，基于同一種數學工具描述的一體化動力學建模方法。本發明的創新點為；第一，本發明考慮了結構振動對高精密編隊構型的影響，建立了星間相對位置?相對姿態?結構振動耦合動力學模型；第二，本發明基于對偶四元數數學工具，將星間相對位置運動、相對姿態運動、結構振動統一到同一數學框架下，得到一種同構一體化動力學模型。

技術領域

本發明涉及航天器編隊的動力學高精度建模方法，具體涉及一種用于柔性航天器編隊的，考慮編隊星間相對位姿-結構振動耦合的，基于同一種數學工具描述的一體化動力學建模方法。

背景技術

對于航天器編隊技術，目前國內外已經開展了大量理論研究及在軌驗證，如美國的獵鷹計劃、法國的FDAI計劃等。在編隊動力學研究方面，Clohessy和Wiltshire基于參考軌道為近圓軌道的假設，在笛卡爾坐標系下，建立了一種線性的星間相對位置動力學方程，被稱為C-W方程。對于參考軌道為任意軌道的編隊，Tschauner和Hempel等學者在笛卡爾坐標系下，建立了一種線性的星間相對位置動力學方程，被稱為T-H方程。Kechichian和Theron等學者在T-H方程的基礎上，對引力的二階泰勒展開進行了描述，得到一種非線性的星間相對位置動力學方程。王劍穎等學者針對剛體衛星編隊間的相對位姿保持，提出了一種基于對偶四元數的星間相對位姿一體化動力學建模方法，該模型考慮了航天器間相對位置和姿態的耦合效應，因此動力學模型更加精確。

上述針對航天器編隊的動力學建模問題研究已經取得了一定程度的進展，但是目前的研究集中于剛體航天器編隊領域。近年來，隨著航天技術的發展，由柔性航天器組成的編隊在國外已經開展論證工作，如美國的EYEGLASS計劃，為實現高分辨率對地成像，其中編隊中一個航天器攜帶有直徑5米的衍射薄膜，其柔性振動對編隊相對位姿保持精度的影響不可忽略，因此在動力學建模時應考慮航天器間相對位姿-結構振動耦合效應影響。據我們的調研，目前國際上尚未有柔性航天器編隊動力學建模工作的研究成果發表。針對此背景，本發明提出一種用于柔性航天器編隊的星間相對位姿耦合同構一體化動力學建模方法。

發明內容

本發明利用對偶四元數描述螺旋運動方面的優勢，將對偶四元數數學工具運用到柔性航天器編隊動力學建模技術領域，目的是解決高精度柔性航天器編隊的精確動力學建模問題。

一種星間相對位姿耦合同構一體化動力學建模方法，包括如下步驟：

步驟一、基于對偶四元數數學工具，構建單個柔性航天器的姿態-軌道-振動耦合同構一體化動力學模型；

步驟二、基于對偶四元數坐標轉換，構建柔性航天器編隊星間相對位姿耦合同構一體化動力學模型。

2、根據權利要求1所述的一種星間相對位姿耦合同構一體化動力學建模方法，其特征在于：所述步驟二中具體為：

a)構建柔性航天器編隊星間質心相對運動學模型

設兩航天器分別為主星和從星，它們的本體坐標系分別是o_a-x_ay_az_a，o_b-x_by_bz_b；兩航天器相對運動的軌道和姿態可以看作是o_b-x_by_bz_b相對于o_b-x_by_bz_b的螺旋運動，使用對偶四元數對運動進行描述，表達式為：