一種獲取天線在軌振動影響的動力學建模方法技術

本發明專利技術公開了一種獲取天線在軌振動影響的動力學建模方法，包括如下步驟：將整星系統中的環形天線以及用于支撐環形天線的展開臂作為子結構，建立整星系統的剛柔耦合動力學方程組，計算出展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣以及環形天線的模態坐標陣；建立姿態控制模型對整星系統進行姿態控制仿真；依據姿態控制仿真結果，計算環形天線振動響應；環形天線振動響應由展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化和環形天線自身的變形位置變化疊加而成；展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化依據展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣進行解算；環形天線自身的變形位置變化依據環形天線的模態坐標陣進行解算。本發明專利技術屬于天線在軌振動技術領域。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了，包括如下步驟：將整星系統中的環形天線以及用于支撐環形天線的展開臂作為子結構，建立整星系統的剛柔耦合動力學方程組，計算出展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣以及環形天線的模態坐標陣；建立姿態控制模型對整星系統進行姿態控制仿真；依據姿態控制仿真結果，計算環形天線振動響應；環形天線振動響應由展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化和環形天線自身的變形位置變化疊加而成；展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化依據展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣進行解算；環形天線自身的變形位置變化依據環形天線的模態坐標陣進行解算。本專利技術屬于天線在軌振動
【專利說明】
本專利技術屬于天線在軌振動
，具體涉及一種獲取天線在軌振動影響的動力 學建模方法。
技術介紹
隨著我國航天事業的發展和國防建設的迫切需要，我國正在研制各類帶有大型天 線的新型電子偵察衛星、通信衛星和對地觀測系統等一系列新型航天器。這些航天器的大 型柔性可展開天線，呈現典型的大柔性、輕質量、弱阻尼、非線性等復雜動力學特性，給這類 航天器帶來一系列動力學與控制難題。未來將有越來越多的大型可展開天線在航天器上應 用，口徑也會越來越大，指標更加嚴格，衛星姿軌控、熱致振動等導致的機械運動必然會引 起大型反射面天線的振動，從而造成電性能降低，影響任務完成質量。 整星呈現出典型的大撓性體特征，是由包含大口徑網狀天線、多關節大型伸展臂、 太陽翼與衛星本體組成的大慣量低頻剛柔耦合系統。天線的點波束指向精度和穩定度對網 狀天線擾動非常敏感。大型柔性附件在低頻段的模態堆積、指向及反射面對擾動的高靈敏 度以及結構振動時的弱阻尼等特性，對航天器的精確建模、仿真分析，以及衛星平臺與柔性 天線的指向控制提出了新的挑戰。 由于整星尺寸和有限的地面試驗能力，衛星性能指標主要依賴仿真分析與驗證。 目前的型號研制過程中，還缺乏一個整星層面的建模、仿真、分析方法，為整星在軌振動傳 遞機理、在軌振動對天線波束指向的影響，探索整星振動的規律并采取相應抑制措施，以及 評估振動抑制措施的有效性，提供一套完整的分析方法。整星動力學建模涉及結構動力學、 姿態動力學、剛柔耦合動力學、姿態控制、數據擬合和幾何分析等領域，多學科交叉耦合。急 需建立集擾動源、整星剛柔耦合動力學模型、姿態控制系統、天線振動影響分析的一體化仿 真分析模型，完成環形天線的振動響應計算、環形天線整體指向和振動分析方法。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供了，建立了 集擾動源、整星剛柔耦合動力學模型、姿態控制系統、天線振動影響分析的一體化仿真分析 模型，實現了環形天線的振動響應計算。 為了達到上述目的，本專利技術的技術方案為:一種獲取天線在軌振動影響的動力學 建模方法，包括如下步驟： 步驟（1)將整星系統中的環形天線以及用于支撐環形天線的展開臂作為子結構， 建立整星系統的剛柔耦合動力學方程組，計算出展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣以及 環形天線的模態坐標陣。 整星系統的剛柔耦合動力學方程組包括整星系統質心平動運動方程、系統繞質心 的轉動運動方程、展開臂帶剛性環形天線的振動方程、環形天線自身的振動方程、+Y軸和-Y 軸太陽翼的振動方程，其中Y軸為以整星的質心為原點建立的系統質心坐標系的Y軸。 步驟(2)針對整星系統，建立姿態控制模型對整星系統進行姿態控制仿真。 步驟(3)針對步驟(2)中的姿態控制仿真結果，計算環形天線振動響應。 環形天線振動響應即環形桁架節點相對于展開臂坐標系的幾何位置變化，由展開 臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化和環形天線自身的變形位置變化疊加而成。 展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化依據展開臂帶剛性環形天線的模 態坐標陣進行解算。環形天線自身的變形位置變化依據環形天線的模態坐標陣進行解算。 整星系統的剛柔耦合動力學方程組具體包括： (I) (2) (3) (4) (5) (6) 其中，方程(1)為整星系統質心平動運動方程。 方程(2)為系統繞質心的轉動運動方程。方程(3)為展開臂帶剛性環形天線的振動方程。方程(4)為環形天線自身的振動方程。方程(5)和方程(6)分別為+Y軸和-Y軸太陽翼的振動方程。 式中： X為衛星中心體的位移列陣，E3X1。 cos衛星中心體的角速度列陣，E3 XI。 也角速度列陣的反對稱陣，E3X3。 M衛星質量陣，Ε3X3。 Is衛星慣量陣，Ε3 X3。 Ps作用在衛星上的外力列陣，E3 XI。 Ts作用在衛星上的外力矩列陣，E3 XI。 nis、nrs分別為+Y軸和-Y軸太陽翼的模態坐標陣，emx 1。 GisZrs分別為+Y軸和-Y軸太陽翼的模態阻尼系數，取0.005。 Ω als、Ω ars分別為+Y軸和-Y軸太陽翼的模態頻率對角陣。 %為展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣。 %為環形天線的模態坐標陣。 ζζ為展開臂帶剛性環形天線的模態阻尼系數，取0.005。 ζ*為環形天線的模態阻尼系數，取0.005。 Ω z為展開臂帶剛性環形天線的模態頻率對角陣。 Ω*為環形天線的模態頻率對角陣。 Ftz為展開臂帶剛性環形天線振動對本體平動的柔性耦合系數陣。 Ftt為環形天線振動對本體平動的柔性耦合系數陣。 Fsz為展開臂帶剛性環形天線振動對本體轉動的柔性耦合系數陣。 Fst為環形天線自身振動對本體轉動的柔性耦合系數陣。 Fzt為展開臂帶剛性環形天線和環形天線振動的柔性耦合系數陣。 Ftis、Ftrs分別為+Y軸和-Y軸太陽翼對本體平動的柔性耦合系數陣。 Fsis、Fsrs分別為+Y軸和-Y軸太陽翼對本體轉動的柔性耦合系數陣。 ?為*的一階導數。￥為*的二階導數。 姿態控制模型為比例-微分控制律，具體為： Ts = KP9s+Kd〇s (7) 其中Kp為比例增益，Kd為微分增益，9S為整星姿態角，cos為衛星中心體的角速度列 陣。進一步地，IU為展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣；％為環形天線的模態坐標陣。 展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置響應 其中心為第i個節點在環線天線坐標系的位置矢量。ξζ?為環線天線坐標系相對于 展開臂坐標系的位置和角度變化量。Izt= Φζ%。 其中，Φζ為展開臂帶剛性環形天線的振型。 環形天線自身的變形位置響&δη= Φ tru。其中，Φ*為環形天線的振型。 環形天線振動響應為δ = δζ?+δη。 進一步地，依據步驟(3)計算獲得的環形天線振動響應進一步地解算獲得環形桁 架下圓相對于展開臂坐標系的物理位置變化。 環形桁架下圓相對于展開臂坐標系的物理位置變化由環形天線振動響應以及環 形天線相對于展開臂坐標系的幾何位置的疊加而成。 進一步地，由步驟(3)計算獲得的環形天線振動響應進一步地解算獲得天線的整 體指向，即環形桁架下圓的位置變化。 環形桁架下圓的位置變化由振動前后法線方向的變化和圓心的變化組合描述。 依據環形桁架下圓相對于展開臂坐標系的物理位置變化，解算獲得的環形桁架下 圓的節點響應，擬合環形桁架下圓振動前后所在的平面，計算振動前后法線方向的變化。 在振動后的平面內建立新的坐標系，擬合環形桁架下圓的振動后的圓，計算振動 前后圓心的變化。 進一步地，計算天線的局部變形量包括如下： Nc為環形天線下圓振動前的所在本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種獲取天線在軌振動影響的動力學建模方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟(1)將整星系統中的環形天線以及用于支撐環形天線的展開臂作為子結構，建立整星系統的剛柔耦合動力學方程組，計算出展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣以及環形天線的模態坐標陣；所述整星系統的剛柔耦合動力學方程組包括整星系統質心平動運動方程、系統繞質心的轉動運動方程、展開臂帶剛性環形天線的振動方程、環形天線自身的振動方程、+Y軸和?Y軸太陽翼的振動方程，其中Y軸為以整星的質心為原點建立的系統質心坐標系的Y軸；步驟(2)針對整星系統，建立姿態控制模型對整星系統進行姿態控制仿真；步驟(3)針對步驟(2)中的姿態控制仿真結果，計算環形天線振動響應；所述環形天線振動響應即環形桁架節點相對于展開臂坐標系的幾何位置變化，由展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化和環形天線自身的變形位置變化疊加而成；所述展開臂變形帶動環形天線整體的牽連位置變化依據展開臂帶剛性環形天線的模態坐標陣進行解算；所述環形天線自身的變形位置變化依據環形天線的模態坐標陣進行解算。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：葛東明，鄒元杰，劉紹奎，史紀鑫，鄧潤然，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：北京;11