CN108958276B - 扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法 - Google Patents

扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法以扫描摆镜的惯量、扫描运动曲线规律、整星惯量、整星惯性积、星上柔性附件振动频率、空间环境干扰力矩作为评估输入，以扫描过程中卫星需要的控制精度和稳定度作为评估基准，考虑星上柔性附件搭建耦合动力学模型。包括：1)对评估输入数据进行预处理；2)根据评估输入数据计算扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩；3)融合扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩和空间环境干扰力矩，作为整星姿态动力学模型中干扰力矩项；4)考虑星上柔性附件建立整星姿态耦合动力学模型；5)计算在扫描过程中考虑星上柔性附件振动情况下的姿态控制精度和稳定度，评估扫描摆镜运动对卫星姿态的影响。

Description

扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制技术领域，具体涉及一种扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法。
背景技术
随着航天技术的发展，卫星的应用越来越广，应业务需求目前广泛采用三轴稳定控制卫星。卫星姿态的精度是保证卫星正常业务运行的极其重要的因素。姿态精度的好坏直接影响载荷对地的正常工作。大型复杂卫星正向着高精度、长寿命的方向发展，对控制系统姿态控制精度提出了更高的要求。随着卫星复杂程度的提高，卫星姿态高精度控制的一个关键前提在于动力学对象和所受干扰的精确建模。
卫星在运行过程中，由于任务需要，常常带有一些转动部件，会对卫星姿态产生不良影响。在执行对地观测任务时，卫星上用于对地成像的扫描镜按一定的规律做扫描运动，扫描运动会对星体本身的姿态产生较大的影响。而扫描镜又以卫星为支撑平台，卫星姿态运动反过来又会影响扫描镜运动，对卫星业务需求造成恶劣的影响。
随着空间技术的日新月异，卫星的飞行任务日益多样化，结构变得越来越复杂，为了减轻发射质量使得卫星采用质量轻的柔性附件，从而卫星的挠性特性增强。大尺寸柔性附件产生的转动惯量较大且固有频率较低，会对整星姿态控制产生影响。
鉴于以上因素，需要一种评估扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，可以更好地对三轴稳定控制卫星进行姿态评估，从而评估卫星姿态是否符合业务运行要求。特别是考虑柔性附件耦合的星上扫描摆镜对卫星姿态影响的评估方法，可以更好地适应当前卫星的发展需求，更是十分必要的。同时，利用该方法还可以为卫星工程设计提供有力参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，根据整星姿态动力学和扫描摆镜的运动状态来评估扫描摆镜对卫星姿态的影响，进而在方案阶段或地面测试阶段评估整星姿态控制精度，以便更好地对控制算法进行优化。
为了达到上述的目的，本发明提供一种本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，以扫描摆镜的惯量、扫描运动曲线规律、整星惯量、整星惯性积、星上柔性附件振动频率、空间环境干扰力矩作为评估输入，以扫描过程中卫星需要的控制精度和稳定度作为评估基准，考虑星上柔性附件搭建耦合动力学模型。
进一步地，上述扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法包括：1)对评估输入数据进行预处理；2)根据评估输入数据计算扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩；3)融合扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩和空间环境干扰力矩，作为整星姿态动力学模型中干扰力矩项；4)考虑星上柔性附件建立整星姿态耦合动力学模型；5)计算在扫描过程中考虑星上柔性附件振动情况下的姿态控制精度和稳定度，评估扫描摆镜运动对卫星姿态的影响。
进一步地，所述扫描运动曲线规律包括扫描摆镜的运动方向，扫描摆镜随时间的角速度/角加速度运动曲线规律。
进一步地，所述步骤1)中，所述预处理是指将评估输入数据中的无效冗余数据剔除，并统一为国际单位。
进一步地，扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩计算公式为：
Figure BDA0001748251000000031
式中，Tds为扫描摆镜在运动期间产生的干扰力矩；Is为扫描摆镜的惯量；ωs为扫描摆镜的角速度。
进一步地，所述步骤3)中，所述空间环境干扰力矩包括太阳光压力矩、重力梯度力矩、地磁力矩和气动力矩。
进一步地，
对于带n个挠性附件，其中m个挠性附件为挠性转动部件的卫星，整星姿态耦合动力学方程为：
Figure BDA0001748251000000032
式中，
mT——整星质量矩阵；
VT——卫星的线位移；
IT——未变形前卫星的惯量矩阵；
Iai——附件相对铰链点的惯量矩阵；
FS——作用在卫星上的外力；
MS——挠性附件未变形前，整星相对于整星质心O的力矩；
Mai——附件相对于附件安装点的力矩；
Figure BDA0001748251000000041
——N×N对角阵，
Figure BDA0001748251000000042
N为振型的截断数，数值由有限元模型提供；
ε——挠性附件的结构阻尼；
ωs——卫星角速度；
Figure BDA0001748251000000043
为3×3斜对称矩阵，定义如下
Figure BDA0001748251000000044
ωai——第i个挠性转动部件的转动角速度；
qai——第i个挠性转动部件的模态坐标；
Rsai——第i个挠性转动部件相对于卫星转动的刚性耦合系数矩阵；
Btrani——第i个挠性转动部件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Broti——第i个挠性转动部件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure BDA0001748251000000045
——第i个挠性转动部件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure BDA0001748251000000046
——对qai二阶求导；
Figure BDA0001748251000000047
——对qai一阶阶求导；
Figure BDA0001748251000000048
——对ωs一阶求导；
Figure BDA0001748251000000049
——对ωai一阶求导；
Figure BDA00017482510000000410
——Rsai转置矩阵；
Figure BDA00017482510000000411
——Btrani转置矩阵；
Figure BDA00017482510000000412
——Broti转置矩阵。
ωaj——第j个挠性附件的转动角速度；
qaj——第j个挠性附件的模态坐标；
Btranj——第j个挠性附件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Brotj——第j个挠性附件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure BDA00017482510000000413
——第j个挠性附件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure BDA0001748251000000051
——对qaj二阶求导；
Figure BDA0001748251000000052
——对qaj一阶阶求导；
Figure BDA0001748251000000053
——对ωaj一阶求导；
Figure BDA0001748251000000054
——Rsaj转置矩阵；
Figure BDA0001748251000000055
——Btranj转置矩阵；
Figure BDA0001748251000000056
——Brotj转置矩阵。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是，
本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，根据整星姿态动力学和扫描摆镜的运动状态来评估扫描摆镜对卫星姿态的影响，适用于在方案阶段或地面测试阶段对整星姿态控制精度进行评估。该方法还考虑了星上柔性附件对整星姿态产生的影响，更加满足当代卫星业务的需要，可以利用该评估方法的评价结果更好地对卫星姿态控制算法进行优化。
附图说明
本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明较佳实施例的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合图1对本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法作进一步的详细描述。
本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，以扫描摆镜的惯量、扫描运动曲线规律、整星惯量、整星惯性积、星上柔性附件振动频率、空间环境干扰力矩作为评估输入，以扫描过程中卫星需要的控制精度和稳定度作为评估基准，考虑星上柔性附件建立整星姿态耦合动力学模型。
现以具体实施例详细说明本发明的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法。
图1所示为本发明较佳实施例的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法的流程图。
参见图1，本实施例的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法包括：
1)对评估输入数据进行预处理；
对评估方法的整体输入进行预处理，为后续计算过程提供保障；
所述评估输入数据包括扫描摆镜的惯量、扫描运动曲线规律、整星惯量、整星惯性积、星上柔性附件振动频率以及空间环境干扰力矩；
所述扫描运动曲线规律包括扫描摆镜的运动方向，扫描摆镜随时间的角速度/角加速度运动曲线规律；
所述预处理是指剔除无效数据，并使多方数据单位统一，即将数据中的无效冗余数据剔除，并统一为国际单位。
2)根据评估输入数据计算扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩；
扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩计算公式为：
Figure BDA0001748251000000061
式中，Tds为扫描摆镜在运动期间产生的干扰力矩；Is为扫描摆镜的惯量；ωs为扫描摆镜的角速度；此计算公式包含扫描摆镜的运动方向，体现在ωs的坐标之中。
3)融合扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩和空间环境干扰力矩，作为整星姿态动力学模型中干扰力矩项；
所述空间环境干扰力矩包括太阳光压力矩、重力梯度力矩、地磁力矩和气动力矩；其中，
太阳光压力矩计算模型为：
Figure BDA0001748251000000071
Figure BDA0001748251000000072
其中，
Figure BDA0001748251000000073
为太阳光压中心至卫星质心距离；
Figure BDA0001748251000000074
为太阳光压辐射力；P为太阳光压，低轨卫星可取9.0×10-6N/m2；
Figure BDA0001748251000000075
分别为受照射面的法线和切线单位矢量；ν为表面反射系数；σ为阳光入射角；S为太阳光线照射面积；
重力梯度力矩计算模型为：
重力梯度力矩理论表达式为：
Figure BDA0001748251000000076
式中，ω0为卫星轨道角速度；I为整星惯量张量；R0为卫星到地心的单位矢量；
当卫星在小姿态角的情况下，重力梯度力矩的最简化式为：
Figure BDA0001748251000000077
地磁力矩计算模型为：
Figure BDA0001748251000000078
式中，
Figure BDA0001748251000000079
为卫星剩磁磁矩矢量；
Figure BDA00017482510000000710
为卫星本体三轴坐标中地磁场矢量；
气动力矩计算模型为：
Figure BDA00017482510000000711
Figure BDA00017482510000000712
式中，
Figure BDA0001748251000000081
为卫星主体迎风面压力中心至卫星质心间的距离；
Figure BDA0001748251000000082
为气动力；Cp为气动阻力系数，低轨卫星一般为2.2～2.4；ρ为大气密度；S为迎流面积；n是迎流面积的法线矢量；V是面积元相对入射流的平移速度矢量。
4)考虑星上柔性附件建立整星姿态耦合动力学模型；
对于带n个挠性附件，其中m个挠性附件为挠性转动部件的卫星，整星姿态耦合动力学方程为：
Figure BDA0001748251000000083
式中，
mT——整星质量矩阵；
VT——卫星的线位移；
IT——未变形前卫星的惯量矩阵；
Iai——附件相对铰链点的惯量矩阵；
FS——作用在卫星上的外力；
MS——挠性附件未变形前，整星相对于整星质心O的力矩；
Mai——附件相对于附件安装点的力矩；
Figure BDA0001748251000000084
——N×N对角阵，
Figure BDA0001748251000000085
N为振型的截断数，数值由有限元模型提供；
ε——挠性附件的结构阻尼；
ωs——卫星角速度；
Figure BDA0001748251000000091
为3×3斜对称矩阵，定义如下
Figure BDA0001748251000000092
ωai——第i个挠性转动部件的转动角速度；
qai——第i个挠性转动部件的模态坐标；
Rsai——第i个挠性转动部件相对于卫星转动的刚性耦合系数矩阵；
Btrani——第i个挠性转动部件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Broti——第i个挠性转动部件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure BDA00017482510000000917
——第i个挠性转动部件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure BDA0001748251000000093
——对qai二阶求导；
Figure BDA0001748251000000094
——对qai一阶阶求导；
Figure BDA0001748251000000095
——对ωs一阶求导；
Figure BDA0001748251000000096
——对ωai一阶求导；
Figure BDA0001748251000000097
——Rsai转置矩阵；
Figure BDA0001748251000000098
——Btrani转置矩阵；
Figure BDA0001748251000000099
——Broti转置矩阵。
ωaj——第j个挠性附件的转动角速度；
qaj——第j个挠性附件的模态坐标；
Btranj——第j个挠性附件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Brotj——第j个挠性附件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure BDA00017482510000000910
——第j个挠性附件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure BDA00017482510000000911
——对qaj二阶求导；
Figure BDA00017482510000000918
——对qaj一阶阶求导；
Figure BDA00017482510000000912
——对ωaj一阶求导；
Figure BDA00017482510000000913
——Rsaj转置矩阵；
Figure BDA00017482510000000914
——Btranj转置矩阵；
Figure BDA00017482510000000915
——Brotj转置矩阵。
5)计算在扫描过程中考虑星上柔性附件振动情况下的姿态控制精度和稳定度，评估扫描摆镜运动对卫星姿态的影响；
将步骤3)得到的干扰力矩项代入到步骤4)的整星姿态耦合动力学模型中，计算在扫描过程中考虑星上柔性附件振动情况下的姿态控制精度和稳定度，进而评估扫描摆镜运动对卫星姿态的影响；
步骤3)得到的干扰力矩项是融合扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩和空间环境干扰力矩后得到的；
姿态控制精度和稳定度的计算已有成熟技术，本发明对该计算过程不作详细说明，但这并不影响本发明的实施。

Claims (4)

1.扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，其特征在于，以扫描摆镜的惯量、扫描运动曲线规律、整星惯量、整星惯性积、星上柔性附件振动频率、空间环境干扰力矩作为评估输入，以扫描过程中卫星需要的控制精度和稳定度作为评估基准，考虑星上柔性附件搭建耦合动力学模型；
包括：
1)对评估输入数据进行预处理；
2)根据评估输入数据计算扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩；
3)融合扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩和空间环境干扰力矩，作为整星姿态动力学模型中干扰力矩项；
4)考虑星上柔性附件建立整星姿态耦合动力学模型；
5)计算在扫描过程中考虑星上柔性附件振动情况下的姿态控制精度和稳定度，评估扫描摆镜运动对卫星姿态的影响；
扫描摆镜在运动期间对整星产生的干扰力矩计算公式为：
Figure FDA0002926664430000011
式中，Tds为扫描摆镜在运动期间产生的干扰力矩；Is为扫描摆镜的惯量；ωs为扫描摆镜的角速度；
所述步骤4)中，对于带n个挠性附件，其中m个挠性附件为挠性转动部件的卫星，整星姿态耦合动力学方程为：
Figure FDA0002926664430000021
式中，
mT——整星质量矩阵；
VT——卫星的线位移；
IT——未变形前卫星的惯量矩阵；
Iai——附件相对铰链点的惯量矩阵；
FS——作用在卫星上的外力；
MS——挠性附件未变形前，整星相对于整星质心O的力矩；
Mai——附件相对于附件安装点的力矩；
Figure FDA0002926664430000022
——N×N对角阵，
Figure FDA0002926664430000023
N为振型的截断数，数值由有限元模型提供；
ε——挠性附件的结构阻尼；
ωs——卫星角速度；
Figure FDA0002926664430000024
为3×3斜对称矩阵，定义如下
Figure FDA0002926664430000025
ωai——第i个挠性转动部件的转动角速度；
qai——第i个挠性转动部件的模态坐标；
Rsai——第i个挠性转动部件相对于卫星转动的刚性耦合系数矩阵；
Btrani——第i个挠性转动部件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Broti——第i个挠性转动部件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure FDA00029266644300000315
——第i个挠性转动部件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure FDA0002926664430000031
——对qai二阶求导；
Figure FDA0002926664430000032
——对qai一阶阶求导；
Figure FDA0002926664430000033
——对ωs一阶求导；
Figure FDA0002926664430000034
——对ωai一阶求导；
Figure FDA0002926664430000035
——Rsai转置矩阵；
Figure FDA0002926664430000036
——Btrani转置矩阵；
Figure FDA0002926664430000037
——Broti转置矩阵；
ωaj——第j个挠性附件的转动角速度；
qaj——第j个挠性附件的模态坐标；
Btranj——第j个挠性附件振动对卫星平动的耦合系数矩阵；
Brotj——第j个挠性附件振动对卫星转动的耦合系数矩阵；
Figure FDA0002926664430000038
——第j个挠性附件振动对附件转动的耦合系数，通过有限元模型计算得到；
Figure FDA0002926664430000039
——对qaj二阶求导；
Figure FDA00029266644300000310
——对qaj一阶阶求导；
Figure FDA00029266644300000311
——对ωaj一阶求导；
Figure FDA00029266644300000312
——Rsaj转置矩阵；
Figure FDA00029266644300000313
——Btranj转置矩阵；
Figure FDA00029266644300000314
——Brotj转置矩阵。
2.如权利要求1所述的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，其特征在于，所述扫描运动曲线规律包括扫描摆镜的运动方向，扫描摆镜随时间的角速度/角加速度运动曲线规律。
3.如权利要求1所述的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述预处理是指将评估输入数据中的无效冗余数据剔除，并统一为国际单位。
4.如权利要求1所述的扫描摆镜运动对卫星姿态影响的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述空间环境干扰力矩包括太阳光压力矩、重力梯度力矩、地磁力矩和气动力矩。
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