專利名稱：利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法。
背景技術(shù)：
一些以基礎(chǔ)物理實驗為任務(wù)目標(biāo)的空間任務(wù)，如探測引力波和檢驗廣義相對論的LISA和ASTROD任務(wù)，需要位于衛(wèi)星腔體內(nèi)的參考質(zhì)量沿著純引力軌道飛行(參見期刊 《經(jīng)典與量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2003年第20卷的文章“LISA的集成模型(The LISAintegrated model) ” 和期刊《原了核物理 B》(Nuclear Physics B) 2007 年第166卷153-158頁文章“ASTR0D (激光天文動力學(xué))and ASTROD I”)。同樣，利用參考質(zhì)量沿著近地純引力軌道飛行，并獲取參考質(zhì)量的純引力軌道，能夠用于精確測量地球重力場(參見期刊《國際宇航聯(lián)會刊》(Acta Astronautica) 2012年特刊文章“采用精密編隊飛行技術(shù)獲取純引力軌道(Acquirement of pure gravity orbit using precision formation flying technology)”)。對于這些任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)而言,衛(wèi)星作用在腔體內(nèi)部參考質(zhì)量上的萬有引力是一個主要的干擾力，影響純引力軌道的性能水平(參見《經(jīng)典與量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2004 年第 21 卷第 5 期 S653-S660 頁的文章“當(dāng)前的LISA殘余加速度誤差估計(Current errorestimates for LISA spurious accelerations) ”)。精確計算純引力軌道的萬有引力干擾，是克服該項干擾從而提高純引力軌道性能的基礎(chǔ)。
現(xiàn)有技術(shù)中，LISA模型團(tuán)隊建立了萬有引力干擾的數(shù)值計算方法，采用衛(wèi)星有限單元模型提供的結(jié)點質(zhì)量和位置，并將每個單元近似為質(zhì)點計算其對參考質(zhì)量的引力、 力矩和梯度作用，然后對所有單元求和得到整體量(參見《經(jīng)典與量子引力》(Classical and QuantumGravity) 2005年第22卷第10期S395-S402頁的文章“LISA自引力分析模型 (Self-gravitymodeling for LISA)，，)。
但是，這種利用衛(wèi)星模型計算萬有引力干擾的方法，對衛(wèi)星有限單元模型的質(zhì)量分布精度要求苛刻，使得材質(zhì)非均勻部件的精確建模非常困難。在更廣泛的純引力飛行任務(wù)中，可以采用本發(fā)明所提出的方法利用實際可測的部件質(zhì)量特性精確計算萬有引力干擾。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種新型的利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，解決上述問題。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
—種利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，包括步驟如下
步驟1，根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)計確定衛(wèi)星上的部件；
步驟2，利用質(zhì)量特性綜合測量儀，測量步驟I所確定的部件中的某一部件的質(zhì)量特性并記錄；
步驟3，根據(jù)步驟2的測量結(jié)果，建立等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程；
步驟4，根據(jù)步驟3的方程，求解得到所需要的等效質(zhì)點組；
步驟5，根據(jù)步驟4所求解的等效質(zhì)點組，計算該部件的萬有引力及其梯度；
步驟6，重復(fù)步驟2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛(wèi)星在腔體內(nèi)的萬有引力及其梯度。
優(yōu)選的，所述步驟3中所示的根據(jù)步驟2的測量結(jié)果，建立等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程，具體包括
設(shè)步驟二中測得某一部件B的質(zhì)量為M。，在參考直角坐標(biāo)系OXYZ中質(zhì)心位置為ο (X0, Y。，Z0)，在該部件主軸坐標(biāo)系oyxz中的轉(zhuǎn)動慣量矩陣為<)O I 00 L 心
設(shè)與所述部件B質(zhì)量特性相同的等效質(zhì)點組包含Nrc個質(zhì)點，質(zhì)點的質(zhì)量記為mrc, i, i = 1,2,…Nrc,在該部件主軸坐標(biāo)系oyxz中的坐標(biāo)依次為(xPe, i，yPG, i, zPGj J , i = I,Σ彳《.力 /=]
優(yōu)選的，所述步驟5中所示的，根據(jù)步驟4所求解的等效質(zhì)點組，計算該部件的萬有引力及其梯度，具體包括
等效質(zhì)點組中質(zhì)點的坐標(biāo)(Xpe, i，ypG, i, Zrc,), i = 1,2,…Nrc是在部件B的主軸坐標(biāo)系中給出的，部件B的主軸坐標(biāo)系到參考直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rtjb,則等效質(zhì)點組在參考直角坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)為
( A i-η,.hλ · ^ρ(,Μλ · Zpuj'i) = (·'/■(·;. *) /·<;. * -pi;.·.)民+ (A · .)(. 2 /
記錄等效質(zhì)點組在參考直角坐標(biāo)系中的以上坐標(biāo)，則可以始終利用等效質(zhì)點組計算部件B在腔體內(nèi)一點(X。，Y。，Ztl)的萬有引力2，…Nrc，則等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程為
^ I = Me
權(quán)利要求
1.一種利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，其特征在于，包括步驟如下 步驟1，根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)計確定衛(wèi)星上的部件； 步驟2，利用質(zhì)量特性綜合測量儀，測量步驟I所確定的部件中的某一部件的質(zhì)量特性并記錄； 步驟3，根據(jù)步驟2的測量結(jié)果，建立等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程； 步驟4，根據(jù)步驟3的方程，求解得到所需要的等效質(zhì)點組； 步驟5，根據(jù)步驟4所求解的等效質(zhì)點組，計算該部件的萬有引力及其梯度； 步驟6，重復(fù)步驟2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛(wèi)星在腔體內(nèi)的萬有引力及其梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，其特征在于所述步驟3中所示的根據(jù)步驟2的測量結(jié)果，建立等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程，具體包括 設(shè)步驟二中測得某一部件B的質(zhì)量為M。，在參考直角坐標(biāo)系OXYZ中質(zhì)心位置為ο (X。， Y。，Z0)，在該部件主軸坐標(biāo)系oyxz中的轉(zhuǎn)動慣量矩陣為
3.根據(jù)權(quán)利要求I述的利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，其特征在于所述步驟5中所示的，根據(jù)步驟4所求解的等效質(zhì)點組，計算該部件的萬有引力及其梯度，具體包括 等效質(zhì)點組中質(zhì)點的坐標(biāo)(Xrc, i，yPG, i Zrc,), i = 1,2,…Nrc是在部件B的主軸坐標(biāo)系中給出的，部件B的主軸坐標(biāo)系到參考直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rtjb,則等效質(zhì)點組在參考直角坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)為 {^Pa.bJ ·> ^PClJKi ·> ^ IX,Jk, ) = (A POJ' ) χ；, ’ ZP(,.i ) ^ Λ 十(U> )( 2 }記錄等效質(zhì)點組在參考直角坐標(biāo)系中的以上坐標(biāo)，則可以始終利用等效質(zhì)點組計算部件B在腔體內(nèi)一點(X。，Y0, Z0)的萬有引力
全文摘要
一種利用部件質(zhì)量特性計算衛(wèi)星腔體內(nèi)萬有引力的等效質(zhì)點組方法，1，根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)計確定衛(wèi)星上的部件；2，利用質(zhì)量特性綜合測量儀，測量步驟1所確定的部件中的某一部件的質(zhì)量特性并記錄；3，根據(jù)步驟2的測量結(jié)果，建立等效質(zhì)點組滿足的數(shù)學(xué)方程；4，根據(jù)步驟3的方程，求解得到所需要的等效質(zhì)點組；5，根據(jù)步驟4所求解的等效質(zhì)點組，計算該部件的萬有引力及其梯度；6，重復(fù)2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛(wèi)星在腔體內(nèi)的萬有引力及其梯度。本發(fā)明在計算衛(wèi)星上質(zhì)量分布復(fù)雜部件的萬有引力時，能夠利用實際可測的質(zhì)量特性信息，以二階精度實現(xiàn)萬有引力的計算，且不受部件形狀的影響，在工程上有較廣的適用范圍。
文檔編號G01V7/00GK102928891SQ20121050467
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者張育林, 王兆魁, 谷振豐, 范麗 申請人:清華大學(xué)