CN104458123B - 利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，包括如下步骤：步骤1：确定卫星的构型与整星布局,将卫星拆分为多个部件；步骤2：测量所述部件的质量并测量所述部件中各零部件的质量和质心；步骤3：建立所述部件中各零部件的质心所满足的质心方程；步骤5：根据质心方程，求得所述部件的质心坐标；步骤6：根据多个所述部件的质心坐标合成卫星在轨状态的质心。本发明在计算卫星质心时，能够利用足够多的实际可测的零部件质量和质心信息，以二阶精度实现卫星质心计算，在工程上有较广的适用范围。

Description

利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法

技术领域

本发明涉及航天动力学技术，具体地，涉及一种利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法。

背景技术

针对高精度编队构型设计与控制技术，实现多约束条件下的分布式干涉测绘卫星编队优化设计、编队轨道构形的协同控制等技术，卫星的质心偏差是一个主要的干扰力，影响在轨编队的性能水平(参见期刊《国际宇航联会刊》(ActaAstronautica)2012年特刊文章“采用精密编队飞行技术获取纯引力轨道(Acquirement of pure gravity orbit usingprecisionformation flying technology)”)。精确计算卫星的质心，减小干扰力是提高卫星在轨性能的基础。

现有技术中，LISA模型团队采用卫星有限单元模型提供的结点质量和位置，对所有单元求和得到卫星的质心数据(参见《经典与量子引力》(Classical andQuantumGravity)2005年第22卷第10期S395-S402页的文章“LISA自引力分析模型(Self-gravitymodeling for LISA)”)。但是，这种利用卫星有限元模型计算卫星质心的方法，对卫星有限单元模型的质量分布精度要求苛刻，使得材质非均匀部件的精确建模非常困难。

依据我国现有卫星的质心测试经验是将如光学卫星的相机、电子侦察卫星的赋性面天线以及通讯卫星的大型反射面天线等作为卫星有效载荷部件保持其工作状态直接安装在卫星平台上，进行整星的质心测试，由于其没有展开部件或展开部件对整星的质心变化影响小，卫星在轨飞行与地面状态基本一致，故此类卫星的在轨质心计算误差较小。而作为安装了合成孔径雷达(SAR)大型平面相控阵天线的雷达卫星的质心测试方法截然不同。由于合成孔径雷达(SAR)大型平面相控阵天线尺寸大，距离向或方位向的尺寸远远超出运载火箭的整流罩包络允许范围，故需在发射状态下通过构型设计技术将其收拢在运载火箭整流罩的包络允许范围内，入轨后通过展开机构形成一块平面相控阵天线。卫星的太阳电池阵也需在发射状态下通过构型设计技术将其收拢在运载火箭整流罩的包络允许范围内，入轨后通过展开机 构形成一块平面太阳电池阵。由于SAR天线和太阳电池阵的重量和尺寸较大，同时由于地面测试设备、测试方法、环境因素等原因导致地面状态下难以直接测得SAR天线和太阳电池阵的质心。此外，星上其他展开部件等均能在不同程度上影响卫星的质心。综合以上卫星在轨与地面状态的差异，导致了准确计算卫星在轨质心的难题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用实际可测的零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法。

根据本发明提供的利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定卫星的构型与整星布局,将卫星拆分为多个部件；

步骤2：测量所述部件的质量并测量所述部件中各零部件的质量和质心；

步骤3：建立所述部件中各零部件的质心所满足的质心方程；

步骤5：根据质心方程，求得所述部件的质心坐标；

步骤6：根据多个所述部件的质心坐标合成卫星在轨状态的质心。

优选地，所述步骤5之后还包括如下修正步骤：

-根据总装电缆走线位置，对所述部件中的总装电缆进行裁剪并对裁剪得到的电缆进行称重和记录；

-根据裁剪得到的电缆的质量对所述质心坐标进行修正，实现以二阶精度计算出所述部件的质心坐标。

优选地，所述多个部件包括星体、SAR天线以及太阳阵。

优选地，所述步骤3具体为：设所述部件的质量为M_s，s为部件名称，零部件的质量为m_si，i＝1,2,…n,n表示零部件总数，si表示第i个零部件，实测零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_c,sj,y_c,sj,z_c,sj),j＝1,2,…p,c表示测量的零部件，sj表示第j个零部件，p为实际测量的零部件数量，计算求得的零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_d,sk,y_d,sk,z_d,sk),k＝1,2,…q,p+q＝n，q表示计算的零部件的数量，d表示计算的零部件，sk表示第k个零部件，则该部件的零部件质量和质心(X_s,Y_s,Z_s)满足的数学方程为：

其中，m_c,sj表示第j个零部件实测质量，m_d,sk表示第k个零部件计算质量，X_s、

Y_s、Z_s分别表示零部件的质心坐标。

优选地，所述修正步骤具体为：设修正后的质心坐标为(X_s′,Y_s′,Z_s′)，修正值为(Δm_si,Δx_si,Δy_si,Δz_si)实现以二阶精度计算出所述部件的质心，具体包括：

其中，ΔX_s为部件s在X向的质心变化量，ΔY_s为部件s在Y向的质心变化量，ΔZ_s为部件s在Z向的质心变化量，m_si′为部件s修正后的质量，x_si′为部件s修正后的X向质心，y_si′为部件s修正后的Y向质心，z_si′为部件s修正后的Z向质心，m_si为修正前部件的质量，m_si为部件s第i个零部件的质量，Δm_si为部件s质量的修正值，x_si为部件s第i个零部件X向质心，y_si为部件s第i个零部件Y向质心，z_si为部件s第i个零部件Z向质心，Δx_si为部件s第i个零部件X向质心修正值，Δy_si为部件s第i个零部件Y向质心修正值，Δz_si为部件s第i个零部件Z向质心修正值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在计算卫星质心时，能够利用足够多的实际可测的零部件质量和质心信息，以二阶精度实现卫星质心计算，在工程上有较广的适用范围；

2、本发明方法简单、实施成本低廉，计算结果精确。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的卫星拆分示意图；

图2是本发明的部件质心合成示意图；

图3为本发明的步骤流程图。

图中：

1为SAR天线；

11为SAR天线侧板；

12为SAR天线中板

2为星体；

3为太阳电池阵；

31为基板；

32为连接板；

33为连接架和铰链；

4为撑杆机构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

结合上述搭载合成孔径雷达(SAR)大型平面相控阵天线的卫星的特点，本发明提供了一种利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，包括步骤如下：

步骤1，根据任务需求，设计确定卫星的构型与整星布局；

步骤2，将卫星拆分为星体、SAR天线、太阳阵和其他展开部件；

步骤3，利用质量特性综合测试仪测量步骤2中的某一部件的质量和该部件中各零部件的质量以及某些零部件质心并记录；

步骤4，根据步骤3的测量结果，建立部件中各零部件的质心所满足的质心方程；

步骤5，根据步骤4的质心方程，求解得到部件的质心坐标；

步骤6，确定实际总装电缆走线位置，对部件中的电缆进行裁剪并进行回收称重和记录；

步骤7，根据步骤6的测量结果对步骤5的质心坐标进行修正，实现以二阶精度计算出部件质心；

步骤8，重复步骤3-7，计算出所有部件的质心坐标；

步骤9，利用质心合成方法得到卫星在轨状态的质心。

其中，所述步骤4中所示的根据步骤3的测量结果，建立各零部件的质心满足的质心方程，具体包括：

设步骤3中测得该部件S的质量为M_s，零部件的质量为m_si，i＝1,2,…n,n表示零部件总数，si表示第i个零部件，实测零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_c,sj,y_c,sj,z_c,sj),j＝1,2,…p,c表示测量的零部件，sj表示第j个零部件，p为实际测量的零部件数量，计算求得的零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_d,sk,y_d,sk,z_d,sk),k＝1,2,…q,p+q＝n，q表示计算的零部件的数量，d表示计算的零部件，sk表示第k个零部件，则该部件的零部件质量和质心(X_s,Y_s,Z_s)满足的数学方程为：

其中，m_c,sj表示第j个零部件实测质量，m_d,sk表示第k个零部件计算质量，X_s、Y_s、Z_s分别表示零部件的质心坐标。

所述步骤7中所示的根据步骤6的测量结果对步骤5的质心坐标进行修正，修正值为(Δm_si,Δx_si,Δy_si,Δz_si)，修正后的质心坐标为(X_s′,Y_s′,Z_s′)，实现以二阶精度计算出部件质心，具体包括：

其中，ΔX_s为部件s在X向的质心变化量，ΔY_s为部件s在Y向的质心变化量，ΔZ_s为部件s在Z向的质心变化量，m_si′为部件s修正后的质量，x_si′为部件s修正后的X向质心，y_si′为部件s修正后的Y向质心，z_si′为部件s修正后的Z向质心，m_si为修正前部件的质量，m_si为部件s第i个零部件的质量，Δm_si为部件s质量的修正值，x_si为部件s第i个零部件X向质心，y_si为部件s第i个零部件Y向质心，z_si为部件s第i个零部件Z向质心，Δx_si为部件s第i个零部件X向质心修正值，Δy_si为部件s第i个零部件Y向质心修正值，Δz_si为部件s第i个零部件Z向质心修正值。

以上计算方法在实际计算特别是工程计算中非常直观、方便，只需要获取各零部件的质量和质心数据就可计算出各部件的质心。在逐个得到各部件的质量和质心后，对所有部件的质量和质心合成，就可以计算卫星在轨状态的质心。

所述质量特性综合测试仪是指在卫星工程中，测量卫星或某零部件的质量、质心位置、转动惯量的设备。

本发明的目的是精确计算卫星上复杂质量分布部件时，利用实际可测的零部件的质量和质心信息以二阶精度实现卫星质心计算。

卫星的构型与整星布局根据卫星任务需要，确定要使用的部件。测量零部件的质量和质心是利用能够测量质量、质心的综合测试设备得到零部件的质量和质心特征值。求解得到部件的质心是根据已经测量得到的零部件的质量和质心，结合计算出的零部件的质心，建立部件中各零部件质心必须满足的数学方程并求解得到需要的部件质心。

综上所述，本发明在计算卫星在轨状态的质心时，能够利用实际可测的质量和质心信息，以二阶精度实现卫星质心的计算，对于我国后续配备合成孔径雷达(SAR)大型平面相控阵天线的卫星在轨质心预测技术创造了一个新的设计方法，在工程上有较广的 适用范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定卫星的构型与整星布局,将卫星拆分为多个部件；

步骤2：测量所述部件的质量并测量所述部件中各零部件的质量和质心；

步骤3：建立所述部件中各零部件的质心所满足的质心方程；

步骤5：根据质心方程，求得所述部件的质心坐标；

步骤6：根据多个所述部件的质心坐标合成卫星在轨状态的质心；

所述步骤5之后还包括如下修正步骤：

-根据总装电缆走线位置，对所述部件中的总装电缆进行裁剪并对裁剪得到的电缆进行称重和记录；

-根据裁剪得到的电缆的质量对所述质心坐标进行修正，实现以二阶精度计算出所述部件的质心坐标。

2.根据权利要求1所述的利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，其特征在于，所述多个部件包括星体、SAR天线以及太阳阵。

3.根据权利要求1所述的利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：设所述部件的质量为M_s，s为部件名称，零部件的质量为m_si，i＝1,2,…n,n表示零部件总数，si表示第i个零部件，实测零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_c,sj,y_c,sj,z_c,sj),j＝1,2,…p,c表示测量的零部件，sj表示第j个零部件，p为实际测量的零部件数量，计算求得的零部件的质心在全局坐标系OXYZ中的坐标依次为(x_d,sk,y_d,sk,z_d,sk),k＝1,2,…q,p+q＝n，q表示计算的零部件的数量，d表示计算的零部件，sk表示第k个零部件，则该部件的零部件质量和质心(X_s,Y_s,Z_s)满足的数学方程为：

其中，m_c,sj表示第j个零部件实测质量，m_d,sk表示第k个零部件计算质量，X_s、Y_s、Z_s分别表示零部件的质心坐标。

4.根据权利要求3所述的利用零部件的质量和质心信息计算卫星质心的方法，其特征在于，所述修正步骤具体为：设修正后的质心坐标为(X_s′,Y_s′,Z_s′)，修正值为(Δm_si,Δx_si,Δy_si,Δz_si)实现以二阶精度计算出所述部件的质心，具体包括：

其中，ΔX_s为部件s在X向的质心变化量，ΔY_s为部件s在Y向的质心变化量，ΔZ_s为部件s在Z向的质心变化量，m_si′为部件s修正后的质量，x_si′为部件s修正后的X向质心，y_si′为部件s修正后的Y向质心，z_si′为部件s修正后的Z向质心，m_si为修正前部件的质量，m_si为部件s第i个零部件的质量，Δm_si为部件s质量的修正值，x_si为部件s第i个零部件X向质心，y_si为部件s第i个零部件Y向质心，z_si为部件s第i个零部件Z向质心，Δx_si为部件s第i个零部件X向质心修正值，Δy_si为部件s第i个零部件Y向质心修正值，Δz_si为部件s第i个零部件Z向质心修正值。