基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于可展開(kāi)天線的展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:步驟一：選擇初始展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式，設(shè)定初始展開(kāi)時(shí)間；步驟二：建立耦合動(dòng)力學(xué)控制模型；步驟三：衛(wèi)星姿態(tài)控制模型，設(shè)定展開(kāi)過(guò)程控制器參數(shù)；步驟四：設(shè)計(jì)展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間；該發(fā)明針對(duì)基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合分析的周邊桁架式可展開(kāi)天線，克服了在展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)時(shí)不能合理定量地給出展開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間的缺點(diǎn)，建立了衛(wèi)星-天線耦合動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了不同展開(kāi)軌跡對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)影響的分析能力；通過(guò)分別對(duì)展開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間的迭代計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的軌跡設(shè)計(jì)。
【專利說(shuō)明】基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于可展開(kāi)天線的展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于星-天 動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 周邊桁架式網(wǎng)狀反射面可展天線由于其質(zhì)量輕、收納率高、易實(shí)現(xiàn)大口徑等優(yōu)點(diǎn)， 成為目前大口徑可展開(kāi)天線理想的結(jié)構(gòu)形式?？烧固炀€的展開(kāi)過(guò)程是最容易出現(xiàn)故障的環(huán) 節(jié)之一，表現(xiàn)為桁架結(jié)構(gòu)展開(kāi)不到位或由于展開(kāi)過(guò)程不平穩(wěn)而使天線受到過(guò)大沖擊。因而 對(duì)展開(kāi)過(guò)程的要求不僅限于完全展開(kāi)到位，同時(shí)應(yīng)保證展開(kāi)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊處于衛(wèi)星本 體的抗傾覆能力范圍內(nèi)。
[0003] 周邊桁架式可展天線主要是由貫穿于對(duì)角桿內(nèi)的驅(qū)動(dòng)索驅(qū)動(dòng)展開(kāi)到位的，因而， 有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)索的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)并且選擇合理的控制策略以滿足天線展開(kāi)過(guò)程的要 求。
[0004] 現(xiàn)有的展開(kāi)天線軌道規(guī)劃方案，大都將展開(kāi)軌跡分為加速-勻速-減速三個(gè)階段， 通過(guò)線性、三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式去規(guī)劃加速和減速段，獲得較好的連續(xù)性和平穩(wěn)性，也 有用貝塞爾曲線對(duì)展開(kāi)全過(guò)程軌跡進(jìn)行規(guī)劃的，但都是針對(duì)可展天線本身的，即將天線與 展開(kāi)臂結(jié)構(gòu)的堅(jiān)桿約束住進(jìn)行分析，用天線本身展開(kāi)的角加速度作為衡量天線展開(kāi)過(guò)程中 沖擊大小的標(biāo)準(zhǔn)；而真實(shí)情況中，天線展開(kāi)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊應(yīng)當(dāng)是通過(guò)展開(kāi)臂結(jié)構(gòu)最終影 響衛(wèi)星本體姿態(tài)，衡量沖擊力是否超過(guò)衛(wèi)星的抗傾覆能力，則是以衛(wèi)星本體姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)角 和偏轉(zhuǎn)角速度為標(biāo)準(zhǔn)，因而，展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)需要在充分考慮衛(wèi)星-天線動(dòng)力耦合系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
[0005] 另外，現(xiàn)在的可展開(kāi)天線展開(kāi)過(guò)程軌跡都是在廣義時(shí)間范疇的，即在歸一化時(shí)間 內(nèi)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析設(shè)計(jì)出合理的曲線，這樣的設(shè)計(jì)僅僅是對(duì)展開(kāi)軌跡幾何形狀意義上的設(shè) 計(jì)，并未給出展開(kāi)時(shí)間的確定準(zhǔn)則。因而，需要從系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的角度出發(fā)，尋求合理的展 開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間，在保證天線順利展開(kāi)到位的同時(shí)，盡可能減小展開(kāi)過(guò)程給衛(wèi) 星體帶來(lái)的沖擊。同時(shí)，在保證衛(wèi)星不失穩(wěn)的條件下，給出可展天線展開(kāi)過(guò)程的時(shí)間下限， 為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。而在現(xiàn)有的文獻(xiàn)和相關(guān)資料中沒(méi)有正面地給出相應(yīng)的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在充分考慮衛(wèi)星-天線動(dòng)力耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上設(shè)計(jì)可展開(kāi)天線展開(kāi)過(guò)程軌跡，并給出可展開(kāi)天線展開(kāi)過(guò)程的時(shí)間下限的問(wèn)題。
[0007] 為此，本發(fā)明提供了一種基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方 法，包其特征在于，包括如下步驟：
[0008] 步驟一：選擇初始展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式，設(shè)定初始展開(kāi)時(shí)間；
[0009] 步驟二：建立天線展開(kāi)過(guò)程中的衛(wèi)星-天線的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型；
[0010] 步驟三：根據(jù)衛(wèi)星本體控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)控制模型，根據(jù)可展天線展 開(kāi)過(guò)程設(shè)定展開(kāi)過(guò)程控制器參數(shù)；
[0011] 步驟四：設(shè)計(jì)展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間。
[0012] 述展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式依據(jù)貝塞爾曲線進(jìn)行規(guī)劃，即n+1個(gè)控制點(diǎn)可以定義一條 η次貝塞爾曲線，如下：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括 如下步驟： 步驟一：選擇初始展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式，設(shè)定初始展開(kāi)時(shí)間； 步驟二：建立天線展開(kāi)過(guò)程中的衛(wèi)星-天線的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型； 步驟三：根據(jù)衛(wèi)星本體控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)控制模型，根據(jù)可展天線展開(kāi)過(guò) 程設(shè)定展開(kāi)過(guò)程控制器參數(shù)； 步驟四：設(shè)計(jì)展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其 特征在于：所述展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式依據(jù)貝塞爾曲線進(jìn)行規(guī)劃，即n+1個(gè)控制點(diǎn)可以定義 一條η次貝塞爾曲線，如下：
(1)式中，Pi為第i個(gè)控制點(diǎn)的 坐標(biāo)，T為歸一化時(shí)間。 其中，貝塞爾基函數(shù)為：
(2) 依據(jù)貝塞爾曲線的性質(zhì)，采用10次貝塞爾曲線定義驅(qū)動(dòng)索的輸入軌跡L(t)，如下：
(3) 式中，乙為驅(qū)動(dòng)索的規(guī)劃總時(shí)間，貝塞爾曲線的控制點(diǎn){PpP^Pj則決定了展開(kāi)過(guò)程 的軌跡形式。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述建立天線展開(kāi)過(guò)程中的衛(wèi)星-天線的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型，包括如下步驟： (1) 由拉格朗日乘子法，得到天線的展開(kāi)過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程，即：
(4) 其中M(t)、C(t)、K(t)分別為天線的質(zhì)量陣、阻尼陣和剛度陣，C,為約束項(xiàng)，λ為拉格 朗日乘子，BMt為天線與衛(wèi)星的耦合矩陣，q為天線的廣義坐標(biāo)，4廣義坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)，存 為廣義坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)，ω為衛(wèi)星體的偏轉(zhuǎn)角速度，?為姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角加速度，F(xiàn) ant為天線的 展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力，Pant為天線所受載荷項(xiàng)； 由角動(dòng)量定理，得到衛(wèi)星的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程，即：
(5) 其中JT為未變形時(shí)整星的慣量矩陣，Tsat為衛(wèi)星體的姿態(tài)控制力矩，Psat為衛(wèi)星體所受 載荷項(xiàng)； (2) 求解系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)方程，即方程4和方程5,得到天線的驅(qū)動(dòng)索運(yùn)動(dòng)軌跡1 (tj和 衛(wèi)星的偏轉(zhuǎn)角Θ (ti); (3) 計(jì)算驅(qū)動(dòng)索運(yùn)動(dòng)軌跡與期望的偏差ei(ti) = 1(心)-1^&匕），以及衛(wèi)星體偏轉(zhuǎn)角 與期望的偏差 ee(ti) = Θ ; (6) (4) 建立天線和衛(wèi)星的控制方程，即：
(7) 求解控制方程（3)、（4)，得到天線的驅(qū)動(dòng)控制力以及衛(wèi)星體的姿態(tài)控制力矩； (5) 聯(lián)立方程（1)?（4)，得到展開(kāi)過(guò)程的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型，對(duì)動(dòng)力學(xué)微分方程 (1)、（2)在離散的采樣時(shí)間上逐步積分，便可得到展開(kāi)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)索運(yùn)動(dòng)軌跡和驅(qū)動(dòng)力的 關(guān)系，以及衛(wèi)星體姿態(tài)角和姿態(tài)控制力矩的關(guān)系。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述根據(jù)衛(wèi)星本體控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)其控制模型，根據(jù)可展天線展開(kāi)過(guò)程的 特點(diǎn)設(shè)定其控制器參數(shù)，包括如下步驟： (I )根據(jù)步驟一所設(shè)置的初始展開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間，基于序列二次規(guī)劃法， 進(jìn)行天線和衛(wèi)星的控制參數(shù)設(shè)計(jì)； (Π )根據(jù)步驟二所述的的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型，利用ADAMS軟件計(jì)算在天線展開(kāi)驅(qū)動(dòng) 力和衛(wèi)星姿態(tài)控制力矩作用下的天線驅(qū)動(dòng)索運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角； (III) 得到衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角速度的最大值θ_、ω_，并計(jì)算二者加權(quán)歸一化后的 目標(biāo)函數(shù)值
其中θ ρ ω(ι為衛(wèi)星抗傾覆的偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角速度的上限； (IV) 判斷衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角Θ和偏轉(zhuǎn)角速度ω是否滿足衛(wèi)星抗傾覆的性能指標(biāo)
,并且是否滿屈
-最小，如滿足，則輸出結(jié)果；如果 不滿足，轉(zhuǎn)到（I )，尋找更優(yōu)的控制參數(shù)； (V )輸出控制參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果，作為展開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述設(shè)計(jì)展開(kāi)過(guò)程的軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間是基于優(yōu)化的方法，包括如下步驟： (i)根據(jù)步驟二所述建立的展開(kāi)過(guò)程耦合動(dòng)力學(xué)控制模型； (ii )在歸一化的展開(kāi)時(shí)間內(nèi)時(shí)，基于序列二次規(guī)劃法，進(jìn)行軌跡形式控制策略的求 解，尋找最優(yōu)的展開(kāi)過(guò)程軌跡形式，并得到滿足約束的衛(wèi)星體偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)加速度； (iii)依據(jù)（ii )得到的軌跡形式，在展開(kāi)過(guò)程軌跡形式一定時(shí)，基于混合整型優(yōu)化法， 進(jìn)行展開(kāi)時(shí)間控制策略的求解，尋找最優(yōu)的展開(kāi)時(shí)間，以此作為下一次軌跡形式尋優(yōu)的展 開(kāi)時(shí)間值，并得到滿足約束的衛(wèi)星體偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)加速度； (iv )根據(jù)（ii )和（iii)兩次優(yōu)化得到的衛(wèi)星體偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角速度的相對(duì)誤差作 為迭代收斂條件，判斷是否滿足優(yōu)化方法的終止條件，如滿足，即輸出結(jié)果；如果不滿足，轉(zhuǎn) 到（ii )，繼續(xù)優(yōu)化； (v)輸出最優(yōu)的展開(kāi)過(guò)程軌跡形式和展開(kāi)時(shí)間。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于星-天動(dòng)力學(xué)耦合的可展天線展開(kāi)過(guò)程軌跡設(shè)計(jì)方法，其 特征在于，所述步驟（ii ):在歸一化的展開(kāi)時(shí)間內(nèi)時(shí)，基于序列二次規(guī)劃法，進(jìn)行軌跡形式 控制策略的求解，尋找最優(yōu)的展開(kāi)過(guò)程軌跡形式，并得到滿足約束的衛(wèi)星體偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn) 加速度，包括如下步驟： ① 利用已得到的控制參數(shù)，以及優(yōu)化得到的展開(kāi)時(shí)間，基于序列二次規(guī)劃法，進(jìn)行展開(kāi) 過(guò)程軌跡形式的設(shè)計(jì)； ② 依據(jù)步驟（i )中的耦合動(dòng)力學(xué)控制模型，利用ADAMS軟件計(jì)算在天線展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力 和衛(wèi)星姿態(tài)控制力矩作用下的天線驅(qū)動(dòng)索運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角； ③ 得到衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角速度的最大值θ_、ω_，并計(jì)算二者加權(quán)歸一化后的目 標(biāo)函數(shù)值
，其中Θ (!、為衛(wèi)星抗傾覆的偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)角速度的上限； ④ 判斷衛(wèi)星偏轉(zhuǎn)角Θ和偏轉(zhuǎn)角速度ω是否滿足衛(wèi)星抗傾覆的性能指標(biāo)即：
并且是否滿足
義小，如滿足，則輸出結(jié)果；如果不 滿足，轉(zhuǎn)回步驟三，重新根據(jù)衛(wèi)星本體控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)控制模型，根據(jù)可展天 線展開(kāi)過(guò)程設(shè)定展開(kāi)過(guò)程控制器參數(shù)，尋找更優(yōu)的展開(kāi)過(guò)程軌跡形式； ⑤ 輸出展開(kāi)時(shí)間一定下的展開(kāi)過(guò)程軌跡形式的優(yōu)化結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104122899SQ201410362584
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】張逸群, 徐虎榮, 段寶巖, 楊東武, 杜敬利, 張樹(shù)新, 楊癸庚, 茹文銳 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)