CN112270066B - 一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法和计算机设备 - Google Patents

一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法和计算机设备 Download PDF

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CN112270066B CN202010983472.9A CN202010983472A CN112270066B CN 112270066 B CN112270066 B CN 112270066B CN 202010983472 A CN202010983472 A CN 202010983472A CN 112270066 B CN112270066 B CN 112270066B
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Abstract

本发明的一个实施例公开了一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法和计算机设备，包括:构建卫星三维物理模型，其中，所述卫星三维物理模型基于通过采集卫星样本相关数据构建的，并且所述卫星样本相关数据存储在存储器中，所述卫星三维物理模型包括卫星本体模型和与其连接的附件模型；获取柔性附件i的质量Mmai、柔性附件i质心坐标方阵
Figure DDA0002688302970000011
{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure DDA0002688302970000012
将所述Mmai、
Figure DDA0002688302970000013
代入公式(1)，得到柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai：
Figure DDA0002688302970000014
获取连接点Pai点位置坐标方阵
Figure DDA0002688302970000015
所述Rtai，{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure DDA0002688302970000016
和柔性附件i的转动惯量Imai，将所述
Figure DDA0002688302970000017
Rtai、
Figure DDA0002688302970000018
Imai代入公式(2)，得到柔性附件转动对卫星本体转动的刚性耦合系数Rsai；
Figure DDA0002688302970000019

Description

一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法和计算机设备
技术领域
本发明涉及卫星总体设计领域，具体的，涉及一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法、计算机设备和计算机可读存储介质。
背景技术
针对带有大型柔性附件的卫星，卫星的姿态控制设计是建立在卫星动力学模型的基础上进行的，卫星的动力学模型由一组用于描述卫星运动的方程表示，对于机动性强、柔性附件灵活性好的卫星，其动力学模型中通常包含刚性耦合系数，耦合系数的准确性直接影响卫星姿态控制的精度。
通常采用混合坐标法和Lagrange原理建立卫星的动力学模型，用离散坐标描述卫星的刚体运动，用模态坐标描述柔性附件的结构振动，模型中的刚性耦合系数包括：描述柔性附件转动对卫星本体转动的刚性耦合系数矩阵Rsai，描述柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数矩阵Rtai，描述卫星本体转动对自身平动的刚性耦合系数矩阵Rai。卫星动力学模型一般将卫星本体质心作为星体坐标系原点，因此卫星本体转动与平动相互解耦，此时系数矩阵Rai为零矩阵，动力学方程组中对刚性耦合效应的描述只需要提供Rsai、Rtai两个刚性耦合系数。目前已有学者根据卫星运动的动力学方程推导出了刚性耦合系数的矩阵乘积形式的表达式，该方法首先将柔性附件物理模型离散化，再通过有限元方法提取计算模型的质量矩阵，经过质量矩阵与柔性附件坐标方阵的矩阵运算，计算或提取柔性附件的刚体模态质量矩阵，最终通过矩阵乘积求出刚性耦合系数。该方法计算前期需要对柔性附件的物理模型进行合理有效的离散化处理，对复杂结构的柔性附件采用离散化建模耗时较长，模型的精度往往依赖于设计师经验，产品在方案设计阶段无法形成快速有效的迭代，显然这种刚性耦合系数的提取方法不是最优的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法，包括:
S100、构建卫星三维物理模型，其中，所述卫星三维物理模型基于通过采集卫星样本相关数据构建的，并且所述卫星样本相关数据存储在存储器中，所述卫星三维物理模型包括卫星本体模型和与卫星本体连接的附件模型；
S101、从所述附件模型中获取柔性附件i的质量Mmai、柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure BDA0002688302950000021
{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure BDA0002688302950000022
S102、将所述Mmai、
Figure BDA0002688302950000023
和
Figure BDA0002688302950000024
代入公式(1)，得到柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai：
Figure BDA0002688302950000025
式中，
Figure BDA0002688302950000026
为{b}系至{ai}系的转换矩阵，Mmai为柔性附件i的质量，
Figure BDA0002688302950000027
为柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵；
S104、获取柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵
Figure BDA0002688302950000028
所述柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai，{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure BDA0002688302950000029
和柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai；
S106、将所述
Figure BDA00026883029500000210
Rtai、
Figure BDA00026883029500000211
和Imai代入公式(2)，得到柔性附件转动对卫星本体转动的刚性耦合系数Rsai:
Figure BDA00026883029500000212
式中，
Figure BDA0002688302950000031
为{b}系至{ai}系的转换矩阵，
Figure BDA0002688302950000032
为柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵，Imai为柔性附件i相对{ai}系的转动惯量，Rtai为柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数。
在一个具体实施方式中，获取柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure BDA0002688302950000033
的步骤包括：
在所述卫星三维物理模型上，以所述卫星本体模型和附件模型的连接点Pai点为原点，建立附件坐标系O1x1y1z1，记作{ai}系；
在所述附件坐标系O1x1y1z1上，读取柔性附件i质心坐标rmai，将所述rmai转换成柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure BDA0002688302950000034
在一个具体实施方式中，获取{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure BDA0002688302950000035
的步骤包括：
在所述卫星三维物理模型上，以所述卫星本体模型质心位置为原点，建立星体本体坐标系Omxmymzm，记作{b}系；
所述星体本体坐标系Omxmymzm到所述附件坐标系O1x1y1z1，按照右手法则，采用方向余弦矩阵，得到所述{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure BDA0002688302950000036
在一个具体实施方式中，获取柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵
Figure BDA0002688302950000037
的步骤包括：
在所述星体本体坐标系Omxmymzm上，读取星体本体与卫星附件连接点Pai点的位置坐标rpi，将所述rpi转换成
Figure BDA0002688302950000038
在一个具体实施方式中，获取柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai的步骤包括：
在所述附件模型坐标系O1x1y1z1上，读取柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai。
第二方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面提供的方法。
第三方面，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面提供的方法。
有益效果：
本发明计算卫星刚性耦合系数的方法不需要将卫星物理模型离散化，计算所需参数可以方便的在物理模型中读取，大大降低了工作量，也不会引入离散化误差，计算结果更真实准确。
本发明方法中的数学表达式简单易懂，避免了复杂的矩阵运算，计算维度大大降低，特别适合用于编制卫星刚性耦合系数计算程序。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1为根据本申请的一个实施例的计算卫星刚性耦合系数的优化方法流程图。
图2为根据本申请的一个实施例的计算卫星刚性耦合系数的优化方法的技术方案实施流程图。
图3为根据本申请的一个实施例的计算卫星刚性耦合系数的优化方法的实例卫星构型示意图。
图4示出适于用来实现本申请实施例的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
第一实施例
本发明的技术方案实施流程如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法。
在一个具体实施例中，图1为本申请的一个实施例的计算卫星刚性耦合系数的优化方法流程图；
构建卫星三维物理模型，其中，所述卫星三维物理模型基于通过采集卫星样本相关数据构建的，并且所述卫星样本相关数据存储在存储器中，所述卫星三维物理模型包括卫星本体模型和与卫星本体连接的附件模型；
在一个具体实施例中，与卫星本体连接的柔性附件i为卫星太阳翼。
图3是实例卫星构型示意图，实例卫星太阳翼与实例卫星本体在Pai点连接，实例卫星本体坐标系Omxmymzm，记作{b}系，实例卫星本体坐标系Omxmymzm原点位于实例卫星质心位置处，结合本发明内容计算实例卫星右侧太阳翼对实例卫星本体的刚性耦合系数。
在一个具体实施例中，在实例卫星三维物理模型上，位于实例卫星太阳翼与实例卫星本体连接点Pai点处，建立局部坐标系O1x1y1z1作为实例卫星太阳翼坐标系，记作{ai}系；坐标轴O1y1轴平行于实例卫星太阳翼A轴，坐标轴O1z1轴垂直于实例卫星太阳翼面板，坐标轴O1x1轴垂直于O1y1z1坐标平面，坐标系采用右手法则。
在一个具体实施例中，在实例卫星三维物理模型上，在太阳翼坐标系上，读取实例卫星太阳翼质心坐标为(0.003723460m,2.318188m,-0.00857620m)，记作rmai＝[0.0037234602.318188-0.00857620]T，坐标方阵为：
Figure BDA0002688302950000051
在一个具体实施例中，在实例卫星三维物理模型上，读取实例卫星右侧太阳翼的质量Mmai＝15.17992kg。
在一个具体实施例中，在实例卫星三维物理模型上，实例卫星本体坐标系Omxmymzm到实例卫星太阳翼坐标系O1x1y1z1，需要绕实例卫星本体坐标系Omxmymzm的Omym轴旋转180度，转换矩阵
Figure BDA0002688302950000061
记作，
Figure BDA0002688302950000062
在一个具体实施例中，计算太阳翼转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai：
Figure BDA0002688302950000063
在本实例卫星三维物理模型上，如图3所示，在实例卫星本体坐标系Omxmymzm上，读取实例卫星本体与实例卫星太阳翼连接点Pai点的位置坐标为(0.063438m,0.477791m,-0.032166m)；记作rpi＝[0.0634380.477791-0.032166]T，坐标方阵为：
Figure BDA0002688302950000064
在一个具体实施例中，在实例卫星三维物理模型上，在实例卫星太阳翼坐标系O1x1y1z1上，读取实例卫星太阳翼的转动惯量，记作
Figure BDA0002688302950000071
在一个具体实施例中，计算太阳翼转动对卫星本体转动的刚性耦合系数Rsai
Figure BDA0002688302950000072
本发明基于卫星物理模型，在太阳翼与卫星本体连接点处建立合理的局部坐标系，确定局部坐标系与卫星本体坐标系的转换关系，读取必要的质量特性信息，位置坐标信息，经过简单的矩阵运算得到了刚性耦合系数Rtai和Rsai，计算过程中不需要将物理模型离散化，大大降低了工作量，不会引入离散化误差，计算结果更真实准确。
第二实施例
图4示出了本申请的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图4显示的计算机设备50仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。如图4所示，计算机设备50以通用计算设备的形式表现。计算机设备50的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元500，系统存储器516，连接不同系统组件(包括系统存储器516和处理单元500)的总线501。
总线501表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设50典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备50访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器516可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)504和/或高速缓存存储器506。计算机设备50可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统508可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线501相连。存储器516可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行实施例一的功能。
具有一组(至少一个)程序模块512的程序/实用工具510，可以存储在例如存储器516中，这样的程序模块512包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块512通常执行本申请所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备50也可以与一个或多个外部设备70(例如键盘、指向设备、显示器60等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备50交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备50能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口502进行。并且，计算机设备50还可以通过网络适配器514与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图4所示，网络适配器514通过总线501与计算机设备50的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备50使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器单元500通过运行存储在系统存储器516中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本申请实施例一所提供的一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法。
本申请针对目前现有的问题，制定一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法的计算机设备，得到卫星刚性耦合系数，具有广泛的应用前景。
第三实施例
本申请的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例一所提供的方法。在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)-连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种计算卫星刚性耦合系数的优化方法，其特征在于，包括：
S100、构建卫星三维物理模型，其中，所述卫星三维物理模型基于通过采集卫星样本相关数据构建的，并且所述卫星样本相关数据存储在存储器中，所述卫星三维物理模型包括卫星本体模型和与卫星本体连接的附件模型；
S101、从所述附件模型中获取柔性附件i的质量Mmai、柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure FDA0002688302940000011
{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure FDA0002688302940000012
S102、将所述Mmai、
Figure FDA0002688302940000013
和
Figure FDA0002688302940000014
代入公式(1)，得到柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai：
Figure FDA0002688302940000015
式中，
Figure FDA0002688302940000016
为{b}系至{ai}系的转换矩阵，Mmai为柔性附件i的质量，
Figure FDA0002688302940000017
为柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵；
S104、获取柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵
Figure FDA0002688302940000018
所述柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数Rtai，{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure FDA0002688302940000019
和柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai；
S106、将所述
Figure FDA00026883029400000110
Rtai、
Figure FDA00026883029400000111
和Imai代入公式(2)，得到柔性附件转动对卫星本体转动的刚性耦合系数Rsai:
Figure FDA00026883029400000112
式中，
Figure FDA00026883029400000113
为{b}系至{ai}系的转换矩阵，
Figure FDA00026883029400000114
为柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵，Imai为柔性附件i相对{ai}系的转动惯量，Rtai为柔性附件转动对卫星本体平动的刚性耦合系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure FDA00026883029400000115
的步骤包括：
在所述卫星三维物理模型上，以所述卫星本体模型和附件模型的连接点Pai点为原点，建立附件坐标系O1x1y1z1，记作{ai}系；
在所述附件坐标系O1x1y1z1上，读取柔性附件i质心坐标rmai，将所述rmai转换成柔性附件i质心相对{ai}系的坐标方阵
Figure FDA0002688302940000021
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure FDA0002688302940000022
的步骤包括：
在所述卫星三维物理模型上，以所述卫星本体模型质心位置为原点，建立星体本体坐标系Omxmymzm，记作{b}系；
所述星体本体坐标系Omxmymzm到所述附件坐标系O1x1y1z1，按照右手法则，采用方向余弦矩阵，得到所述{b}系至{ai}系的转换矩阵
Figure FDA0002688302940000023
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取柔性附件i与卫星本体的连接点Pai点相对卫星本体坐标系{b}系的坐标方阵
Figure FDA0002688302940000024
的步骤包括：
在所述星体本体坐标系Omxmymzm上，读取星体本体与卫星附件连接点Pai点的位置坐标rpi，将所述rpi转换成
Figure FDA0002688302940000025
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获取柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai的步骤包括：
在所述附件模型坐标系O1x1y1z1上，读取柔性附件i相对{ai}系的转动惯量Imai。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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