技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及月球探測(cè)航天器質(zhì)量特性計(jì)算方法，具體涉及一種月球探測(cè)航天器多狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著宇航技術(shù)的不斷進(jìn)步，航天器復(fù)雜程度不斷加深，功能不斷加強(qiáng)，對(duì)航天器姿態(tài)控制的要求也隨之提高。航天器的狀態(tài)隨著飛行階段的不同，由于推進(jìn)劑的消耗、飛行組件的組合變化等因素導(dǎo)致狀態(tài)的不斷變化，需要針對(duì)多種狀態(tài)進(jìn)行姿控。姿態(tài)控制的關(guān)鍵在于對(duì)航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精確把握。通過三維設(shè)計(jì)軟件可以分析得到航天器一種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但多種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，首先需要進(jìn)行不同狀態(tài)的切換設(shè)置，這對(duì)于三維設(shè)計(jì)軟件來說，是比較困難的，無法便捷地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換?；诖?，本文創(chuàng)新地提出了一種月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，用于計(jì)算月球探測(cè)航天器多種飛行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)航天器多狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算。

為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供一種月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，其步驟包括：

步驟1，初始化，進(jìn)行航天器上所有構(gòu)成要素的信息輸入；

步驟2，航天器所有計(jì)算狀態(tài)的定義；

步驟3，計(jì)算航天器所有計(jì)算狀態(tài)的總重量；

步驟4，計(jì)算航天器所有計(jì)算狀態(tài)的質(zhì)心；

步驟5，一種狀態(tài)下的所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換；

步驟6，該狀態(tài)下的所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移變化；

步驟7，該狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；

步驟8，狀態(tài)切換，進(jìn)行下一狀態(tài)計(jì)算，直至完成所有狀態(tài)計(jì)算。

所述計(jì)算方法中，航天器不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與其質(zhì)心有關(guān)；每一個(gè)組成部分的慣量隨著總質(zhì)心的變化而變化，需要不斷切換狀態(tài)，以得到不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，最終得到不同狀態(tài)下的航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

進(jìn)一步，所述月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法中，計(jì)算過程如下：步驟1，初始化，進(jìn)行各要素信息輸入

航天器由眾多要素組成，部分要素在不同狀態(tài)下的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)和安裝極性數(shù)據(jù)有所不同，將所有不同數(shù)據(jù)均視為獨(dú)立的要素。本步驟進(jìn)行計(jì)算初始化，完成各組成要素的信息輸入：任一要素i的重量 、其質(zhì)心在航天器坐標(biāo)系O-XYZ中的位置和安裝極性、其相對(duì)于自身質(zhì)心坐標(biāo)系O_i-U_iV_iW_i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

其中：

O-XYZ：航天器根據(jù)右手準(zhǔn)則確定的正交坐標(biāo)系；

O_i-U_iV_iW_i：任一要素i根據(jù)右手準(zhǔn)則確定的本體正交坐標(biāo)系；

、、：任一要素i的質(zhì)心在O-XYZ中的坐標(biāo)值；

、、：任一要素i在O_i-U_iV_iW_i坐標(biāo)軸上的正交單位矢量；

、、：?jiǎn)挝皇噶吭贠-XYZ中X、Y、Z三軸上的分量；

、、：?jiǎn)挝皇噶吭贠-XYZ中X、Y、Z三軸上的分量；

、、：?jiǎn)挝皇噶吭贠-XYZ中X、Y、Z三軸上的分量；

、、、、、：任一要素i相對(duì)于自身質(zhì)心坐標(biāo)系O_i-U_iV_iW_i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的六個(gè)分量。

步驟2，所有計(jì)算狀態(tài)的定義

任一計(jì)算狀態(tài)j，是步驟1中部分要素的組合。本步驟主要明確任一狀態(tài)的組成要素，體現(xiàn)在后續(xù)步驟的數(shù)據(jù)加總計(jì)算中。

步驟3，每一計(jì)算狀態(tài)的總重量計(jì)算

任一計(jì)算狀態(tài)j下的總重量為該狀態(tài)下所有組成要素的重量累加：

步驟4，每一計(jì)算狀態(tài)的質(zhì)心計(jì)算

任一計(jì)算狀態(tài)j下的航天器質(zhì)心：

其中：

、、為狀態(tài)j下的航天器質(zhì)心在O-XYZ中的位置數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，步驟5，一種狀態(tài)下所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換

任一要素i相對(duì)于航天器不同狀態(tài)的不同質(zhì)心坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均不同。任一要素i的本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和平移變換才能得到任一狀態(tài)j下的相對(duì)于航天器質(zhì)心坐標(biāo)系O_CGj-X_CGjY_CGjZ_CGj的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

將要素i的質(zhì)心坐標(biāo)系O_i-U_iV_iW_i繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)為與航天器坐標(biāo)系平行的新質(zhì)心坐標(biāo)系O_i^′-U_i^′V_i^′W_i^′，要素i相對(duì)于O_i^′-U_i^′V_i^′W_i^′的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ：

——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換公式

其中：

O_CGj-X_CGjY_CGjZ_CGj的原點(diǎn)為狀態(tài)j下質(zhì)心，坐標(biāo)系與O-XYZ平行；

、、、、 、 為 的六個(gè)分量。

步驟6，一種狀態(tài)下所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移變換

狀態(tài)j下的任一要素i相對(duì)于航天器質(zhì)心坐標(biāo)系O_CGj-X_CGjY_CGjZ_CGj的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

步驟7，一種狀態(tài)的航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算結(jié)果

對(duì)狀態(tài)j下的所有組成部分進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集成加總：

步驟8，狀態(tài)切換，進(jìn)行下一狀態(tài)計(jì)算，直至完成所有狀態(tài)計(jì)算

將狀態(tài)切換到下一狀態(tài)，進(jìn)行新狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算，最終得到所需航天器所有狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

本發(fā)明帶來以下有益效益：

采用本發(fā)明為月球探測(cè)任務(wù)提供了一種計(jì)算航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，相比較三維設(shè)計(jì)軟件分析計(jì)算而言，此計(jì)算方法可靈活進(jìn)行狀態(tài)切換，快速計(jì)算得到多狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大大提高計(jì)算效率。通過質(zhì)量特性測(cè)試表明，此種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，可以方便的進(jìn)行工程化，并可用于實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)航天器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

附圖說明

本發(fā)明的月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法由以下的實(shí)施例及附圖給出。

圖1是月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法原理圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參見圖1。本發(fā)明提供一種月球探測(cè)航天器多狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟1，初始化，進(jìn)行航天器上所有構(gòu)成要素的信息輸入；

步驟2，航天器所有計(jì)算狀態(tài)的定義；

步驟3，計(jì)算航天器所有計(jì)算狀態(tài)的總重量；

步驟4，計(jì)算航天器所有計(jì)算狀態(tài)的質(zhì)心；

步驟5，一種狀態(tài)下的所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換；

步驟6，該狀態(tài)下的所有要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移變化；

步驟7，該狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；

步驟8，狀態(tài)切換，進(jìn)行下一狀態(tài)計(jì)算，直至完成所有狀態(tài)計(jì)算。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用了Excel進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算。Excel具有簡(jiǎn)單方便快捷、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。通過Excel對(duì)組成要素狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行列表，編輯公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到所有組合狀態(tài)的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)，并進(jìn)行狀態(tài)切換計(jì)算所有狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

計(jì)算過程如下：

1，初始化，信息列表。將組成要素的重量、質(zhì)心在航天器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、安裝姿態(tài)、關(guān)于自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量共19個(gè)數(shù)據(jù)列表，所有數(shù)據(jù)均為Excel表中的一個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)。

2，狀態(tài)定義。明確所求狀態(tài)的要素組成。

3，累加重量。利用Excel累加公式計(jì)算狀態(tài)j下的航天器總重量：

4，質(zhì)心計(jì)算。利用Excel累加公式計(jì)算并除以總重量得到航天器狀態(tài)j下的質(zhì)心位置：

5，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換。利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量旋轉(zhuǎn)變換公式，對(duì)Excel表中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)換后的要素轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

6，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移變換。將要素轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從要素質(zhì)心位置轉(zhuǎn)換到該狀態(tài)下的航天器質(zhì)心位置，得到要素對(duì)航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的貢獻(xiàn)值。

7，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量統(tǒng)計(jì)計(jì)算。利用Excel累加公式計(jì)算得到狀態(tài)j下的航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

8，狀態(tài)切換，進(jìn)行下一狀態(tài)計(jì)算，直至完成所有狀態(tài)計(jì)算。由于第一步的信息列表是把所有構(gòu)成要素的所有狀態(tài)進(jìn)行列表，并且航天器質(zhì)心坐標(biāo)系是與航天器坐標(biāo)系保持平行關(guān)系不變，因此，構(gòu)成要素的姿態(tài)變換后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是不隨狀態(tài)變化而變化的。但隨著狀態(tài)的變化，構(gòu)成要素質(zhì)心相對(duì)于航天器質(zhì)心坐標(biāo)系是不斷變化的，構(gòu)成要素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量坐標(biāo)平移影響是隨狀態(tài)變化而變化的。而這個(gè)變化因素決定于不同狀態(tài)下的航天器質(zhì)心位置。只要通過切換航天器質(zhì)心數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量坐標(biāo)平移公式，即可得到構(gòu)成要素對(duì)航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量貢獻(xiàn)值。這種切換，在Excel中，只要通過賦予固定的三個(gè)單元以不同的質(zhì)心數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)。

雖然本發(fā)明僅聯(lián)系一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，但是應(yīng)當(dāng)理解，這并不意味著本發(fā)明將局限于該實(shí)施例。相反，本發(fā)明將包括可以包含在由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有替代，變更和等同方案。