[发明专利]含旋转载荷的卫星动力学建模及轴承处受力的确定方法

说明书

本发明提供含旋转载荷的卫星动力学建模及轴承处受力的确定方法，属于卫星姿态动力学技术领域。本发明所述含旋转载荷的卫星动力学建模方法首先对卫星系统建立所需的坐标系；然后由卫星平台动能、轮控系统动能、旋转载荷动能叠加得到卫星系统动能；最后根据卫星系统动能，通过第二类拉格朗日方程得到卫星系统动力学模型。本发明所述含旋转载荷的轴承处受力的确定方法，在建立系统动力学模型的基础上，利用牛顿欧拉定律建立旋转载荷动力学方程，整理并将动力学模型的解算信息代入得到轴承处的受力和力矩。本发明解决了考虑大惯量旋转载荷残余不平衡量时，卫星控制精度受到影响的问题。本发明可用于卫星控制及指导轴承设计。

技术领域

本发明涉及卫星动力学建模及轴承处受力的确定方法，属于卫星姿态动力学技术领域。

背景技术

随着空间任务需求的不断增长，卫星有效载荷的结构越来越复杂，呈大质量、大惯量趋势；对卫星平台和有效载荷(如相机)的指向精度与稳定度的要求也越来越高。然而大惯量的有效载荷往往由于安装、生产等因素产生不平衡量，该不平衡量不能被现有的配平技术完全抵消，残余的不平衡量在有效载荷进行旋转时会产生相应的离心力和离心力偶，经过轴承传递至卫星平台产生振动干扰，激发卫星系统的空间章动，进而影响有效载荷的成像质量。因此平台需要利用先进的控制手段，如鲁棒控制、滑模变结构控制等来抑制卫星的章动以提高卫星的指向精度，而这些控制方法均需要更为精确的卫星动力学模型来对被控对象中的不确定干扰因素进行估计以提高控制精度。此外，当旋转载荷具备不平衡特性时，连接平台和载荷的轴承设计也需要相应的受力和力矩作为参照。所以研究大惯量旋转载荷不平衡特性时卫星系统的精细动力学模型具有很高的学术价值和工程意义，能够为卫星姿态控制系统的设计提供参考。

发明内容

本发明为解决考虑大惯量旋转载荷残余不平衡量时，卫星控制精度受到影响的问题，提供了含旋转载荷的卫星动力学建模及轴承处受力的确定方法。

本发明所述含旋转载荷的卫星动力学建模方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、对由卫星平台、平台三轴正交飞轮、旋转载荷组成的卫星系统建立地心赤道坐标系、轨道坐标系、系统质心坐标系、卫星平台本体系、平台飞轮本体系以及载荷本体系；

步骤二、根据卫星系统结构，建立卫星平台、平台三轴正交飞轮、旋转载荷的动能解析形式，进而由卫星平台动能、轮控系统动能、旋转载荷动能叠加得到卫星系统动能；

步骤三、根据步骤二中得到的卫星系统动能，通过第二类拉格朗日方程得到卫星系统动力学模型；包括卫星系统的平动方程、卫星系统的姿态方程、飞轮的驱动方程以及旋转载荷的驱动方程。

本发明所述含旋转载荷的轴承处受力的确定方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、对由卫星平台、平台三轴正交飞轮、旋转载荷组成的卫星系统建立地心赤道坐标系、轨道坐标系、系统质心坐标系、卫星平台本体系、平台飞轮本体系以及载荷本体系；

步骤二、根据卫星系统结构，建立卫星平台、平台三轴正交飞轮、旋转载荷的动能解析形式，进而由卫星平台动能、轮控系统动能、旋转载荷动能叠加得到卫星系统动能；

步骤三、根据步骤二中得到的卫星系统动能，通过第二类拉格朗日方程得到卫星系统动力学模型，并对该卫星系统动力学模型进行求解得到解算信息；

步骤四、在旋转载荷考虑不平衡量时，利用牛顿欧拉定律建立旋转载荷动力学方程；

步骤五、依据所建立的旋转载荷动力学方程，整理得到轴承处的受力和力矩在卫星平台本体系下的坐标分量，再依据步骤三中得到的解算信息，即得到轴承处的受力和轴承处的力矩值。

作为对上述方案的进一步阐述：

进一步的，步骤一中所述建立地心赤道坐标系、轨道坐标系、系统质心坐标系、卫星平台本体系、平台飞轮本体系以及载荷本体系的具体步骤包括：