[发明专利]一种电动力绳离轨装置的高效动力学建模方法

说明书

本发明公开的一种电动力绳的高精高效动力学建模方法，属于航天器轨道与姿态的动力学与控制领域。本发明实现方法为：在电动力绳系统中，将主星和子星视为质点，将导电系绳离散成多根刚性杆单元，即采用多根刚性杆铰接的离散体模型；通过结合Kane方程和多体动力学递推算法建立考虑多物理场耦合作用的离散电动力绳模型，利用递推算法计算复杂度与电动力绳系统自由度成线性关系的特点，在保证精度不变的前提下，尽量减少离散电动力绳模型中离散单元增加导致的数值仿真计算量增大的问题，实现电动力绳高精度高效率的动力学建模。本发明应用于航天器轨道与姿态的动力学与控制领域，能够解决航天器轨道与姿态相关工程技术问题。

技术领域

本发明涉及一种电动力绳高精高效的动力学建模方法，并且涉及系统姿态控制以及轨道转移，属于航天器轨道与姿态的动力学与控制领域。

背景技术

近年来近地轨道的空间碎片数量呈现明显上升的趋势。空间碎片不仅占据有限的轨道资源，还会对在轨工作的航天产生潜在威胁，并且影响后续的航天活动，因此必须对空间碎片进行主动清除。在众多主动清除技术中，电动力绳因其低燃耗及低成本的优势而备受关注。

电动力绳是一种典型的强非线性多场耦合系统，随着相关研究逐渐深入，为更准确地描述电动力绳系统在轨道转移时的动力学特性，研究者开始关注如何建立高精度的电动力绳动力学模型。由于电动力绳系统进行轨道转移时间长，且高度依赖空间环境，因此必须建立高精度的环境模型，主要包括：地球引力场模型，地磁场模型，大气密度模型以及等离子体密度模型。此外，导电系绳模型也是建立高精度动力学模型的关键，其模型主要分为：哑铃模型，离散体模型以及连续体模型。由于哑铃模型和连续体模型各自过于简化或复杂，而离散体模型可以通过增加离散单元进一步提高模型精度，因此目前大多数研究中都采用离散体模型进行建模，而为提高模型精度需要较多的离散单元，这必然会增加数值仿真的计算量和仿真时长，从而延长研发周期。

发明内容

为了解决电动力绳高精度高效率的动力学建模问题，本发明的目的是提供一种电动力绳的高精高效动力学建模方法，该方法通过结合Kane方程和多体动力学递推算法建立考虑多物理场耦合作用的离散电动力绳模型，利用递推算法计算复杂度与电动力绳系统自由度成线性关系的特点，在保证精度不变的前提下，尽量减少离散电动力绳模型中离散单元增加导致的数值仿真计算量增大的问题，实现电动力绳高精度高效率的动力学建模。本发明应用于航天器轨道与姿态的动力学与控制领域，能够解决航天器轨道与姿态相关工程技术问题。

所述航天器轨道与姿态的动力学与控制领域包括电动力绳系统姿态稳定性分析、电动力绳系统姿态角控制、电动力绳系统轨道转移。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种电动力绳的高精高效动力学建模方法，包括如下步骤：

步骤一：在电动力绳系统中，将主星和子星视为质点，将导电系绳离散成多根刚性杆单元，即采用多根刚性杆铰接的离散体模型，并记主星为单元0，靠近主星的导电系绳单元为1，然后依次递增至N，记子星为单元N+1，各单元间通过球铰相连，并选取各单元间相对姿态角作为广义坐标。

步骤二：利用Kane方程推导单个单元的动力学方程，所述单个单元指步骤一中定义的主星、导电系绳单元和子星。