[发明专利]非惯性参考系下空间三体柔性绳系卫星编队系统建模方法

说明书

本发明属于航天器飞行技术领域，具体是一种非惯性参考坐标系下空间三体柔性绳系卫星编队系统的建模方法。该建模方法步骤为：首先，建立卫星编队系统模型和固结于系统质心的非惯性参考系；接着，将连接卫星的柔性系绳离散为若干个系绳单元并对卫星和系绳单元质点编号；最后，建立非惯性参考系下离散单元质点的动力学方程，进而推导出卫星编队系统的动力学方程。本发明在非惯性参考系下建模，不再需要选取广义坐标和坐标变换等冗余步骤，同时考虑了空间系绳的柔性，因而在描述编队系统的各种空间动力学行为、揭示系统的自旋稳定及失稳性态时更快速准确。此外，本发明还可推广到四体或多体空间绳系编队系统建模中，具有很大的实用价值。

技术领域

本发明涉及航天器飞行技术领域，具体是一种在非惯性参考坐标系下，对空间三体柔性绳系卫星编队系统的建模方法。

背景技术

作为一类新型在轨航天器，空间绳系卫星编队系统具备观测范围广、机动性高、可重复使用等优点，其可承担在轨货物传送、极光观察、立体探测及超声波测距等深空任务^[1-4]，而编队系统的建模方法作为实现并完成这些任务关键性的技术基础，正受到广大科研工作者越来越多的关注。

在已发展的空间绳系卫星编队系统建模方法中，基于第二类拉格朗日方程，祁瑞等构建了双金字塔形绳系卫星编队系统的动力学方程，并通过公式推导，指出该对称系统构型存在一个解析的静力平衡解^[5]；运用牛顿第二定律，刘壮壮等建立了一时变自由度有限维空间绳系系统动力学模型，并在惯性坐标系下数值研究了系统的动力学响应^[6]；Larsen等利用图论方法研究了空间绳系系统编队的复杂构型^[7]；Gates应用动量矩定理，讨论了绳系编队中卫星刚体的姿态动力学问题^[8]。

通过对已有的研究成果总结可以发现，现有的对空间绳系卫星编队系统的研究主要是在惯性参考系下或通过选取广义坐标的方式展开的，因此，通常需要至少经过一次坐标变换才可能得到原系统真实的动力学响应。另外，在讨论柔性系绳时往往是将其考虑为理想的刚性杆模型、忽略系绳柔性以方便研究，而这却大大降低了模型的准确性。

[1]Misra A.K.,Amier Z.,Modi V.J.Attitude dynamics of three-bodytethered systems.Acta Astronautica,1988,17(10):1059-1068.

[2]Tan Z.,Bainum P.M.Tethered satellite constellations in auroralobservation mission.AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit,Monterey,USA,2002.

[3]Topal E.,Daybege U.Dynamics of a triangular tethered satellitesystem on a low earth orbit.The 2nd International Conference on RecentAdvances in Space Technologies,Istanbul,Turkey,2005.

[4]Chung S.-J.Nonlinear control and synchronization of multipleLagrangian systems with application to tethered formation flightspacecraft.Doctoral thesis,Cambridge,USA,2007.