N体航天器姿态运动的动态-测量系统建模

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1、第18卷第3期载人航天V01．18No．32012年5月1N体航天器姿态运动的动态一测量系统建模胡绍林，一，张伟(1中国西安卫星测控中心，西安710043；2西安理工大学自动化学院，西安710043)摘要模型化处理是航天器测控工程的重要技术之一。以航天器姿态运动为研究对象，采用动力学分析的方法，建立带可扩展结构多体航天器姿态运动的动态～测量系统模型，并给出几种典型形式的线性、离散化模型简化方法，同时指出相关模型在航天器动力系统仿真和控制工程中的应用。关键词多体航天器；姿态运动；动态一测量系统中图分类号：V448．25文献标识码：A文章编号

2、：1674-5825(2012)03-0001--07件，与一级附属部件直接相连的附属部件为二级附1引言属部件，依次类推。由此，可以将肛1个附属部件区模型化处理技术在航天器测控工程系统的理论分为不同的级别。以部件为顶点、以不同顶点之间的分析和科学研究中有着十分重要的作用。无论是航连线为弧，规定弧线的正方向为从上级顶点向下级天器受力分析、系统设计、弹／轨道确定、姿态调整、顶点。可以验证，树状结构航天器的结构图具有如下轨道转移，还是安全控制、过程监控、故障检测与诊特征：断，都离不开适当形式的模型。为此，文献【1]详细研(1)每个顶点最多只有一

3、个上级顶点，但可以有究了单体结构航天器姿态运动的动态一测量系统数多个下级顶点，因此每个顶点最多只有一条流人弧学建模方法和过程。但是，随着航天工程技术的发展线但可以有多条流出弧线；以及各种新型航天器的出现，仅仅考虑单体结构航(2)中心部件(最高级顶点)只有流出的弧线，天器姿态模型是不够的，而有必要研究多体结构和最低级顶点只有流人的弧线，同级顶点间无连接带柔性结构的航天器建模问题。弧；事实上，大部分新型航天器附有可展开部件(例(3)结构图中有Ⅳ个顶点、Ⅳ_1条有向弧线。如，太阳能帆板、机械臂和活动天线等)，部分航天器由于中心部件与附属部件之间

4、以及不同附属部腔体内甚至可能有可流动(或移动)的质量体(例如，件相互之间是通过“铰”联系在一起的，在每条连接航天员、液体燃料等)。限于篇幅，本文侧重研究前弧上插入一个迁移@来表示不同部件之间的“铰”者，即由一个中心部件B和Ⅳ一1个附属部件B(连接。可以证明，迁移的个数为Ⅳ_1。1，⋯，Ⅳ-1)构成的树状结构航天器姿态运动数学建下面，再引入一个虚的部件和虚的铰(或迁模问题。移)一，其中，。表示随多体航天器联合体质心O。2多体航天器的图论描述运动的参照坐标系、迁移O表示主体部件与参照为便于叙述，本文采用下述对各部件进行分级，坐标系的关联性。并

5、约定与B间虚的连接弧正方即称直接与中心体相连接的附属部件为一级附属部向为从曰。到B。如图l所示。这样，多体航天器几何收稿日期：2011—05—10；修回日期：2011—08—07基金项目：国家自然科学基金(61074077)作者简介：胡绍林(1964一)，男，博士，研究员，主要从事航天测控系统工程、航天安全与数据处理研究工作。E-mail：tfkth@126．corn2载人航天第18卷端部件转动的绝对角速度为矢量。3．1多体航天器旋转运动方程[21由于系统内任意部件的绝对角速度等于从部件到的连路上各邻接部件之间的相对角速度之和，因此多体航

6、天器各部件旋转运动的角速度满足如下微分方程[2J：[三]=一ffp1·．plrzll．⋯．．11q：●s1+IJil(3)图1结构树示意图式中，P：[P一p】，(1)，为与合体航天器质心运动结构可由Ⅳ+1个部件、Ⅳ条弧线和Ⅳ个迁移完整描转动的角速度。述。对J7v个迁移按1，2，3，⋯编号，并且使得每个迁3．2多体航天器质心运动的动力学方程移的序号与下端直接连接的部件编号相同。构造一假定部件受地心引力与惯性力影响的主力矢个描述迁移与部件相互关系的关联矩阵S=(Js√)部件与第个迁移相连，为、主力矩为(江1，⋯，Ⅳ)，简记多体质心到各f1且位

7、于迁移的上端部件质心之间的矢径为，多体航天器各部件质心运动的Newton方程可写成如下形式：5：{一1晋且位于篓迁移的下端连’(一-)m嘶Ⅳh．，．．．．●L～．．．部件与第个迁移不直接～10相连通路矩阵(J)DfS一S1第i个迁移部件B、和三者是●}．．．1●：一l：’·：{：(4)连通的，且B位于迁移的上端D／／FNl。⋯．sjFN第i个迁移部件、和三者是乃=式中mi为部件的质量，为迁移处两个连接部连通的，且Bi位于迁移的下端件之间的相互作用力。第i个迁移不在部件和部件一般地，如果多体航天器各部件的中心惯量的连路上张量为，则系统绕质心

8、转动的Euler方程为：则多体航天器的几何结构关系被矩阵s和唯D一确定。1。．：●3多体航天器旋转运动的数学建模●．_11fS~11⋯SOlN1f[(1)NJ两个不同部件之间相对运动的自由度取