[发明专利]空间薄膜衍射成像卫星的动力学建模方法及系统

说明书

本发明公开一种空间薄膜衍射成像卫星的动力学建模方法，该建模方法包含；获取卫星本体坐标系、轨道坐标系和挠性附件坐标系之间位姿转换的对偶四元数；通过对偶四元数的方法描述挠性附件相对于挠性附件坐标系和轨道坐标系的对偶动量、挠性卫星的中心刚体相对于轨道坐标系的对偶动量、挠性卫星的位姿一体化动力学模型、挠性附件相对于挠性卫星的中心刚体运动的一体化动力学模型；描述挠性附件相对挠性卫星的中心刚体转动的约束。本发明紧凑描述挠性卫星动力学的双耦合关系，提高计算效率，易于程序化，利于后续的控制器设计，提高控制精度。

技术领域

本发明涉及挠性卫星动力学与控制研究领域，具体涉及一种空间薄膜衍射成像卫星的动力学建模方法及系统。

背景技术

高分对地观测技术的发展对我国的救灾搜寻、重点区域观测等领域具有重要意义，空间薄膜衍射成像双星编队观测方法是高分观测的一个研究热点。空间薄膜衍射成像双星编队由两颗卫星组成，其中一颗卫星携带目镜，一颗卫星携带衍射薄膜，衍射薄膜的直径量级可达几米至几十米，厚度仅有几十微米，属于大挠性体，因此该卫星在动力学描述时不可作为刚体对待。

在外太空环境中工作的薄膜衍射成像双星编队，因受到地球摄动、光压摄动、卫星机动等因素影响，薄膜衍射成像卫星的挠性附件发生振动，其振动对挠性卫星的中心刚体的位姿产生的耦合影响以及薄膜衍射成像卫星位置机动和姿态机动所产生耦合影响的一体化描述问题。

对于挠性卫星的动力学建模问题，普通的建模方法是将挠性附件、挠性卫星的中心刚体的线速度、角速度分开考虑，分别求解其线动量和角动量，然后利用动量定理和动量矩定理求解动力学方程，虽然考虑了挠性卫星的中心刚体与挠性附件的耦合作用，但是忽略了卫星系统机动时位置运动和姿态运动之间的耦合作用，而且这种独立建模的方式不利于控制器设计和控制精度的提高。

发明内容

本发明提供一种空间薄膜衍射成像卫星的动力学建模方法及系统，能够紧凑的描述挠性卫星动力学的强耦合关系，将其推导计算归纳到一个数学框架中。

为实现上述目的，本发明提供一种空间薄膜衍射成像卫星的动力学建模方法，其特点是，该建模方法包含；

建立卫星本体坐标系、轨道坐标系和挠性附件坐标系；

获取卫星本体坐标系、轨道坐标系和挠性附件坐标系之间位姿转换的对偶四元数；

通过对偶四元数的方法描述挠性附件相对于挠性附件坐标系和轨道坐标系的对偶动量；

通过对偶四元数的方法描述挠性卫星的中心刚体相对于轨道坐标系的对偶动量；

通过对偶四元数的方法描述挠性卫星的位姿一体化动力学模型；

通过对偶四元数的方法描述挠性附件相对于挠性卫星的中心刚体运动的一体化动力学模型；

描述挠性附件相对挠性卫星的中心刚体转动的约束。

上述的卫星本体坐标系b与挠性附件坐标系f的位置姿态转换对偶四元数为：

式(1)中，^bq_f表示挠性附件坐标系f相对于卫星本体坐标系b的姿态对偶四元数，表示挠性附件坐标系的原点f到卫星本体坐标系b原点的位置矢量。

上述的卫星本体坐标系b与轨道坐标系o之间的位置姿态转换对偶四元数为：

式(2)中，卫星本体坐标系b与轨道坐标系o的姿态对偶四元数，表示卫星本体坐标系b的原点与轨道坐标系o原点的位置矢量。

上述的挠性附件相对于挠性附件坐标系的对偶动量描述方法包含：

挠性附件分为n个节点，每个节点k表示为一个质量元