[发明专利]一种辨识组合体航天器质量、质心位置和惯性张量的方法

权利要求书

1.一种辨识组合体航天器质量、质心位置和惯性张量的方法，所述方法包括：

步骤一：服务航天器通过空间机械臂抓捕目标航天器后三者形成组合体，所述组合体为组合体航天器，对组合体航天器的三个部分分别进行角动量建模，进而构建组合体航天器的角动量模型，所述角动量模型由空间机械臂各个关节的激励、组合体航天器的角速度、线速度的实时测量值和待辨识参数确定；

步骤二：通过步骤一中的服务航天器上的空间机械臂对整个组合体航天器产生激励，通过服务航天器上的敏感元件得到组合体航天器的状态输出：角速度、线速度的实时测量值，继而根据激励输入和状态输出建立参数辨识数据库；

步骤三：选择合适的辨识准则，计算待辨识参数：组合体航天器质量、质心位置和惯性张量；

根据步骤一所述角动量模型写出任意两个时刻的组合体航天器角动量模型的表达式，将二者作差得到一个非线性方程，根据动量守恒原理，该非线性方程等于零，将参数辨识数据库中对应时刻的输入输出数据代入等于零的非线性方程中，此时非线性方程中所有未知数为待辨识参数，根据优化算法求解非线性方程的所有未知数的过程即计算待辨识参数的过程；

其特征在于：

在步骤一中，构建组合体航天器的角动量模型过程如下：

步骤(1)：建立目标本体系，目标本体系原点位于抓捕点，三轴方向与最后一段机械臂连杆坐标系平行，由于机械臂与目标航天器为刚性连接，无相对滑动与转动，且最后一段机械臂连杆坐标系与机械臂姿态有关，其相对于服务航天器本体系的姿态是可知的，因此该目标本体系是可知的，且与目标信息无关；

步骤(2)：构建含有待辨识参数的组合体航天器的角动量模型；由步骤(1)所建立的目标本体系性质可知，目标航天器相对于目标本体系的惯性张量是不变的，目标航天器质心相对于空间机械臂末端关节质心的位置在空间机械臂末端关节的坐标系是不变的，由于目标航天器的质量是不变的，因此先求得目标航天器的质量、质心位置和惯性张量，进而得到组合体航天器质量、质心位置和惯性张量；

由组合体航天器各部分惯性张量得到组合体航天器的惯性张量如公式(1)所示：

I_C＝I_S+I_R+RI_TR^T+m_T(ρ_T^Tρ_TE₃-ρ_Tρ_T^T) (1)

其中，I_C为组合体在服务航天器体坐标系的惯性张量，I_R为机械臂在服务航天器体坐标系的惯性张量，I_T为目标相对于其自身本体系的惯性张量，R为服务航天器下最后一段机械臂连杆相对惯性系姿态矩阵，m_S为服务航天器质量，m_R为整个机械臂系统质量，m_T为目标航天器质量，ρ_T为目标质心在惯性系中的位置矢量，E₃为3阶单位矩阵；

目标质心到目标本体系原点在目标体坐标系中的位置矢量r与目标质心在惯性系中的位置矢量ρ_T关系如下：

r＝R_TS[R_S(ρ_T-ρ_S)-r₁] (2)

其中，R_TS为目标体坐标系相对于服务航天器体坐标系的姿态矩阵，R_S为服务航天器体坐标系相对于惯性系的姿态矩阵，r₁为抓捕点到服务航天器质心在服务航天器体坐标系中的矢量，ρ_S为服务航天器质心在惯性系中的位置矢量；

公式(1)中的I_T、m_T和公式(2)中的r为待辨识的物理量，因此组合体航天器的角动量模型如公式(3)所示：

h_c＝h_c(0)＝I_Cω (3)

其中h_c为某时刻组合体航天器的线动量，h_c(0)为组合体航天器初始时刻的角动量，ω为组合体航天器在惯性系中的角速度，I_C如公式(1)所示。