基于空间算子代数的星载天线机构动力学计算

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1、万方数据第32卷第1期2011年1月兵工学报ACTAARMAMENTARIIV01．32No．1Jan．2011基于空问算子代数的星载天线机构动力学计算游斌弟，赵志刚，魏承，赵阳(哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：针对星载天线双轴定位机构的空间漂浮基无根树多体系统动力学实时仿真及控制系统设计的需要，应用空间算子代数(SOA)理论进行多体系统动力学建模和仿真；提出了SOA描述的动力学递推及求解算法，并面向对象思想定义多体系统数据结构，进行了动力学计算流程设计。所提方法形式直观、便于推导、物理意义明确及达到了0(r／,)计算效率。通过与Simpack

2、仿真结果进行比较，结果表明SOA的多体系统动力学算法求解速度更快、仿真结果精度更高。关键词：机械学；双轴定位机构；空间算子代数；多体系统动力学；递推计算中图分类号：V412．4文献标志码：A文章编号：1000—1093(2011)01-0085-06MechanismDynamicsforSatelliteAntennasBasedonSpatialOperatorAlgebraTheoryYOUBin·di，ZHAOZhi-gang，WEICheng，ZHAOYang(SchoolofAstronautics，HarbinInstituteofTechnology，

3、Harbin150001，Heilongjiang，China)Abstract：Thetwo—axespositionmechanismofasatelliteantennaisafree·floatingspacerootlessandmulti—bodysystem．Basedontheneedofdynamicsreal—timesimulationandcontrolsystemdesign，spatialoperatoralgebra(SOA)theoryisappliedtothemulti—bodysystemsmodelingandsimulatio

4、n．Thedy—namicsrecursionandsolutionalgorithmofSOAisproposed，andtheobject—orientedideaisutilizedtode—finethedatastructureofthemuhi-bodysystem．andtodesigntheflow—chartofthedynamicalcalcula—tion．Thismethodisheuristic，easytoderivate，andhasclearphysicalsenseandO(rt)computationalef-ficiency．Th

5、roughcomparisonwithSimpacksimulationresults，itshowsthat，themulti-bodydynamical·gorithmofSOAhashighersimulationaccuracyandfastercomputationspeed．Keywords：mechanics；two·axespointingmechanism；spatialoperatoralgebra；multi—bodysystemdy·namics；recursivecomputationO引言星载天线双轴定位机构可以实现卫星天线对目标的实时跟踪

6、、定位等功能，从而满足星地与星间通信与数据传输，各类雷达与观测器等对于两自由度运动的需求。作为空间驱动装置的典型应用，双轴定位机构在国外通信卫星和数据中继卫星上已经有了较多应用。中国航天科技集团在中星22上首次采用了自主开发研制的偏馈双反射面Ka可移点波束天线，该天线系统中就应用双轴定位机构来实现天线面的空间运动¨“1。该机构是发送到太空中作业的无根树系统，其多体动力学是复杂的时变非线性动力系统，为了快速实现对天线沿2个转动轴的双自由度运动并获得收稿日期：2009—06一19基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975056)作者简介：游斌弟(198l一)，男，博士

7、研究生。E-mail：youbindi@163．COIII；赵阳(1968一)，男，教授，博士生导师万方数据86兵工学报第32卷精确的空间位置，满足实时仿真甚至加速仿真的计算需求，以便捕获地面指定区域的信号，如何提高多体动力学算法效率成为了研究重点及热点。而目前基于矢量力学的牛顿欧拉方法和基于分析力学的拉格朗日方法的计算效率分别为O(n3)和O(n2)，难以满足实时仿真要求。20世纪80年代初，Featherstone提出了计算效率为D(n)铰接体算法，随后改进为更快且通用的拓扑结构算法Cs]，1987年，Rodriguez改进了Feather—st