專利名稱：利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法
技術領域：
本發明涉及航天動力學技術領域，尤其是涉及一種利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法。
背景技術：
一些以基礎物理實驗為任務目標的空間任務，如探測引力波和檢驗廣義相對論的LISA和ASTROD任務，需要位于衛星腔體內的參考質量沿著純引力軌道飛行(參見期刊 《經典與量子引力》(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)and ASTROD I”)。同樣，利用參考質量沿著近地純引力軌道飛行，并獲取參考質量的純引力軌道，能夠用于精確測量地球重力場(參見期刊《國際宇航聯會刊》(Acta Astronautica) 2012年特刊文章“采用精密編隊飛行技術獲取純引力軌道(Acquirement of pure gravity orbit using precision formation flying technology)”)。對于這些任務的科學目標而言,衛星作用在腔體內部參考質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。
現有技術中，LISA模型團隊建立了萬有引力干擾的數值計算方法，采用衛星有限單元模型提供的結點質量和位置，并將每個單元近似為質點計算其對參考質量的引力、 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，這種利用衛星模型計算萬有引力干擾的方法，對衛星有限單元模型的質量分布精度要求苛刻，使得材質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中，可以采用本發明所提出的方法利用實際可測的部件質量特性精確計算萬有引力干擾。發明內容
本發明的目的在于設計一種新型的利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，解決上述問題。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下
—種利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，包括步驟如下
步驟1，根據任務需求，設計確定衛星上的部件；
步驟2，利用質量特性綜合測量儀，測量步驟I所確定的部件中的某一部件的質量特性并記錄；
步驟3，根據步驟2的測量結果，建立等效質點組滿足的數學方程；
步驟4，根據步驟3的方程，求解得到所需要的等效質點組；
步驟5，根據步驟4所求解的等效質點組，計算該部件的萬有引力及其梯度；
步驟6，重復步驟2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛星在腔體內的萬有引力及其梯度。
優選的，所述步驟3中所示的根據步驟2的測量結果，建立等效質點組滿足的數學方程，具體包括
設步驟二中測得某一部件B的質量為M。，在參考直角坐標系OXYZ中質心位置為ο (X0, Y。，Z0)，在該部件主軸坐標系oyxz中的轉動慣量矩陣為<)O I 00 L 心
設與所述部件B質量特性相同的等效質點組包含Nrc個質點，質點的質量記為mrc, i, i = 1,2,…Nrc,在該部件主軸坐標系oyxz中的坐標依次為(xPe, i，yPG, i, zPGj J , i = I,Σ彳《.力 /=]
優選的，所述步驟5中所示的，根據步驟4所求解的等效質點組，計算該部件的萬有引力及其梯度，具體包括
等效質點組中質點的坐標(Xpe, i，ypG, i, Zrc,), i = 1,2,…Nrc是在部件B的主軸坐標系中給出的，部件B的主軸坐標系到參考直角坐標系的旋轉矩陣為Rtjb,則等效質點組在參考直角坐標系中的的坐標為
( A i-η,.hλ · ^ρ(,Μλ · Zpuj'i) = (·'/■(·;. *) /·<;. * -pi;.·.)民+ (A · .)(. 2 /
記錄等效質點組在參考直角坐標系中的以上坐標，則可以始終利用等效質點組計算部件B在腔體內一點(X。，Y。，Ztl)的萬有引力2，…Nrc，則等效質點組滿足的數學方程為
^ I = Me
權利要求
1.一種利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，其特征在于，包括步驟如下 步驟1，根據任務需求，設計確定衛星上的部件； 步驟2，利用質量特性綜合測量儀，測量步驟I所確定的部件中的某一部件的質量特性并記錄； 步驟3，根據步驟2的測量結果，建立等效質點組滿足的數學方程； 步驟4，根據步驟3的方程，求解得到所需要的等效質點組； 步驟5，根據步驟4所求解的等效質點組，計算該部件的萬有引力及其梯度； 步驟6，重復步驟2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛星在腔體內的萬有引力及其梯度。
2.根據權利要求I所述的利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，其特征在于所述步驟3中所示的根據步驟2的測量結果，建立等效質點組滿足的數學方程，具體包括 設步驟二中測得某一部件B的質量為M。，在參考直角坐標系OXYZ中質心位置為ο (X。， Y。，Z0)，在該部件主軸坐標系oyxz中的轉動慣量矩陣為
3.根據權利要求I述的利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，其特征在于所述步驟5中所示的，根據步驟4所求解的等效質點組，計算該部件的萬有引力及其梯度，具體包括 等效質點組中質點的坐標(Xrc, i，yPG, i Zrc,), i = 1,2,…Nrc是在部件B的主軸坐標系中給出的，部件B的主軸坐標系到參考直角坐標系的旋轉矩陣為Rtjb,則等效質點組在參考直角坐標系中的的坐標為 {^Pa.bJ ·> ^PClJKi ·> ^ IX,Jk, ) = (A POJ' ) χ；, ’ ZP(,.i ) ^ Λ 十(U> )( 2 }記錄等效質點組在參考直角坐標系中的以上坐標，則可以始終利用等效質點組計算部件B在腔體內一點(X。，Y0, Z0)的萬有引力
全文摘要
一種利用部件質量特性計算衛星腔體內萬有引力的等效質點組方法，1，根據任務需求，設計確定衛星上的部件；2，利用質量特性綜合測量儀，測量步驟1所確定的部件中的某一部件的質量特性并記錄；3，根據步驟2的測量結果，建立等效質點組滿足的數學方程；4，根據步驟3的方程，求解得到所需要的等效質點組；5，根據步驟4所求解的等效質點組，計算該部件的萬有引力及其梯度；6，重復2-5，計算出所有部件的萬有引力及其梯度，求和得到衛星在腔體內的萬有引力及其梯度。本發明在計算衛星上質量分布復雜部件的萬有引力時，能夠利用實際可測的質量特性信息，以二階精度實現萬有引力的計算，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 優先權日2012年11月30日
發明者張育林, 王兆魁, 谷振豐, 范麗 申請人:清華大學