应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法与流程

本发明涉及飞行器飞行安全控制技术领域，具体涉及一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法。

背景技术：

当飞行器发射、飞行和入轨时，它的质量和质心坐标将很大程度上影响其飞行安全，同时上述参数对于降低燃料消耗、提高姿态轨道控制精度具有重要作用，尤其是飞行器在上行前和下行前都需要计算它的质量和质心坐标，验证其是否满足要求飞行要求。

由于工作人员在飞行器内的科研活动需要消耗大量物资，进而飞行器整体质量和某个局部空间都产生变化，飞行器整体质量和质心也会产生变化，导致飞行器偏离飞行轨道的可能，因此上述工作环境对飞行器的姿态调整和轨道调整都将产生重要影响。具有人员居住或活动的飞行器质量和质心变化特点包括：①飞行器内物资消耗导致飞行器局部空间内物资质量变化，从而影响飞行器质心变化；②飞行器的质量和质心变化是离散的；③工作人员每天消耗物资的质量相对于飞行器的质量微乎其微，飞行器质心的变化可以近似为连续的；④消耗品类物资将对飞行器质量和质心变化产生至关重要影响；⑤飞行器整体质量变化具有一定周期性，且质心变化与质量变化和物资所在位置具有一定相关性。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法。

本发明通过构建近似线性消耗模型，分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线，即满足近似均匀分布，利用近似线性消耗模型推演得到整个飞行器X轴质心、Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格分别与质心轴方向、质心轴方向和轴方向质心近似线性函数，从而提出一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，提供配平结果的可靠性。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一、构建近似线性消耗模型；

步骤二、分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线；

步骤三、利用近似线性消耗模型推演得到整个飞行器X轴质心、Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格分别与质心轴方向、质心轴方向和轴方向质心近似线性函数；

步骤四、确定飞行器质心调整采用周期性方式制定任务计划。

更进一步的技术方案是所述步骤一包括：确定影响飞行器质量和质心变化来自于工作人员对食品或水物资消耗，且一个单位周期内消耗物资量近似为常值。

更进一步的技术方案是所述步骤二包括：设飞行器内由n名工作人员，规定一个周期为一天，且所有工作人员的集合为U＝{1,2,...,n}。每天消耗的物资质量分别为m_i，i∈U，因此飞行器内每天消耗的物资总质量近似为∑_i∈U m_i。

更进一步的技术方案是所述步骤三中推演过程包括：

步骤1，设定飞行器内货物存储以货格为最小存储单元；

步骤2，每个货格在飞行器都有唯一的三维立体坐标，其中货格坐标值定义

为货格的几何中心到飞行器中轴线的距离，且货格坐标是具有方向的；

步骤3，设飞行器在未装货物之前的质量特性为m₀,(x₀,y₀,z₀)，其中m₀为初始质量，(x₀,y₀,z₀)为初始质心坐标；

步骤4，设整个飞行器有N个货格，每个货格对应的质量和质心分别为m_i,(x_i,y_i,z_i),i∈{1,...,N}；

步骤5，设第i个货格内的货物密度函数是ρ_i(x,y,z)，向量坐标为r_i，区域表示为D_i，因此该货格的质心坐标M_i(x,y,z)，表示为：

整个飞行器的X质心坐标、Y质心坐标、Z质心坐标近似公式分别为：

X＝(m₀x₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_ix_i)/(m₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_i) (2)

Y＝(m₀y₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_iy_i)/(m₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_i) (3)

Z＝(m₀z₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_iz_i)/(m₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_i) (4)

如果货格i的质量发生变化，则其密度也产生变化，进而质心发生变化，那么货格质心计算公式为：

步骤6，设集合P_*＝{1,...,i-1,i+1,...N}，P＝{1,...,N}，其中P_*表示除了货格i以外的货格集合，P表示包括所有货格集合；由于飞行器内每天消耗的物资质量呈现近似水平直线，当第i个货格减少δ_i，则变化后整个飞行器的质心坐标分别为：

对于此次飞行器质心参数的变化计算，质量和初始质心坐标为常量，因此对变化后的质心坐标X_*、质心坐标Y_*和质心坐标Z_*分别求导数，令M＝m₀+∑_j∈Pm_j且其中自变量为δ_i且质量为近似连续变化的，那么对X_*求导可得：

当第i个货格的质量变化趋于零时，也即货格质量变化相对于飞行器质量忽略不计时，则有

由公式(10)得出，整个飞行器X轴质心变化斜率是关于货格i的质心的线性函数；得知货格变化对整个飞行器质心的影响呈近似线性关系，设第i个货格的X轴质心为x_i，整个飞行器质心变化函数F(x_i)，得知整个飞行器Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格质心y轴方向和z轴方向质心的近似线性函数。

更进一步的技术方案是所述步骤四包括：通过调整相关货格的质量，使得飞行器再次满足质心安全条件，然后将任务计划通知工作人员，工作人员按照预定次序完成货格内物资的调整，使得已经偏离质量的飞行器，再次将整个飞行器的质心值矫正到安全飞行范围。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：本发明通过构建近似线性消耗模型，分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线，即满足近似均匀分布，利用近似线性消耗模型推演得到整个飞行器X轴质心、Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格分别与质心x轴方向、质心y轴方向和z轴方向质心近似线性函数，从而提出一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，提供配平结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中一个周期内物资消耗量折线示意图。

图2为本发明一个实施例中飞行器内货物存储排列示意图。

图3为本发明一个实施例中货格质心变化与整个飞行质心变化关系折线示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

由于飞行器内物资的大量消耗，导致其质量和质心发生变化，影响其飞行安全，如果飞行器质心变化是可控的，对降低燃料消耗、提高姿态轨道控制精度具有重要作用。本实施例公开一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，通过构建近似线性消耗模型，分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线，即满足近似均匀分布，利用近似线性消耗模型推演得到整个飞行器X轴质心、Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格分别与质心x轴方向、质心y轴方向和z轴方向质心近似线性函数，从而提出一种应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，提供配平结果的可靠性。

具体的，本实施例应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法包括以下步骤：

步骤一、构建近似线性消耗模型

影响飞行器的质量和质心变化的因素主要来自飞行器内物资变化情况，包括：物资消耗减少、新生物资增加或物资位置搬移，即局部空间的质量变化导致整个飞行器的质心发生变化，下面将着重分析影响情况。

消耗物资主要包括食品、水和衣物等物资。食品和水被工作人员消耗之后，导致飞行器内局部空间质量随着减少；而衣物类消耗是将使用后的旧衣物放到指定的废弃物存储空间，因此质量并没有产生变化。消耗类物资质量的变化在一定周期内是呈现近似一个常值。

飞行器内新生成物资主要包括两类部分，一是工作人员每天产生的排泄物等，这些废弃物将放置指定位置；二是空间实验产生的新物资，它也会存储到飞行器内指定位置。人体每天产生的排泄物量可以近似为一个常值，而空间实验产生的新物资尽管带有一定的随机性，但它变化对飞行器的质心变化影响微乎其微。

物资位置搬移一般指对工具、维修配件的移动。当工作完成之后，工具都需要放回原来位置，维修配件替换原来旧的配件之后，旧配件也要放回到原来位置，因此物资位置移动对整个飞行器的质量和质心的变化都没有影响。

综上分析，影响飞行器质量和质心变化的主要来自于工作人员对食品或水等物资消耗，且一个单位周期(一天或一周)内消耗物资量可以近似为常值。

步骤二、分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线；

设飞行器内由n名工作人员，规定一个周期为一天，且所有工作人员的集合为U＝{1,2,...,n}。每天消耗的物资质量分别为m_i，i∈U，因此飞行器内每天消耗的物资总质量近似为∑_i∈U m_i。因此飞行器内工作人员在一个周期内消耗的物资质量近似如图1所示。

由于飞行器每个周期内物资消耗量相对固定，因此每个周期内物资消耗呈现近似均匀分布。

步骤三、确定质量特性变化线性关系

通常，飞行器的质量特性包括：质量、X轴质心、Y轴质心、Z轴质心等，它们是飞行器质量特性的关键参数。因此影响整个飞行器的质量特性包括：质量、X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标。

其中，关于飞行器内货物布局结构的确定，飞行器内货物存储以货格为最小存储单元，每个货格对应不同的存储空间坐标，且每个存储空间坐标对应的质量变化，都将影响整个飞行器的质心变化，飞行器内货格展开示意图，如图2所示。

每个货格在飞行器都有它唯一的三维立体坐标，即(x,y,z)，其中货格坐标值定义为货格的几何中心到飞行器中轴线的距离，且货格坐标是具有方向的。

关于飞行器质量特性计算包括以下步骤：

step1，设飞行器在未装货物之前的质量特性为m₀,(x₀,y₀,z₀)，其中m₀为初始质量，(x₀,y₀,z₀)为初始质心坐标。

step 2，设整个飞行器有N个货格，每个货格对应的质量和质心分别为m_i,(x_i,y_i,z_i),i∈{1,...,N}。

step 3，设第i个货格内的货物密度函数是ρ_i(x,y,z)，向量坐标为r_i，区域表示为D_i，因此该货格的质心坐标M_i(x,y,z)，可以表示为：

整个飞行器的X质心坐标、Y质心坐标、Z质心坐标近似公式分别为：

X＝(m₀x₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_ix_i)/(m₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_i) (2)

Y＝(m₀y₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_iy_i)/(m₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_i) (3)

Z＝(m₀z₀+∑_{i∈{1,...,N}}m_iz_i)/(m₀+∑_i∈{1,...,N}m_i) (4)

如果货格i的质量发生变化，则其密度也产生变化，进而质心发生变化，那么货格质心计算公式为：

Step4，设集合P_*＝{1,...,i-1,i+1,...N}，P＝{1,...,N}，其中P_*表示除了货格i以外的货格集合，P表示包括所有货格集合。

由于飞行器内每天消耗的物资质量呈现近似水平直线，当第i个货格减少δ_i，则变化后整个飞行器的质心坐标分别为：

对于此次飞行器质心参数的变化计算，质量和初始质心坐标为常量。因此对变化后的质心坐标X_*、质心坐标Y_*和质心坐标Z_*分别求导数，令M＝m₀+∑_j∈Pm_j且其中自变量为δ_i且质量为近似连续变化的，那么对X_*求导可得：

当第i个货格的质量变化趋于零时，也即货格质量变化相对于飞行器质量可以忽略不计时，则有

由公式(10)可以看出，整个飞行器X轴质心变化斜率是关于货格i的质心的线性函数。可知货格变化对整个飞行器质心的影响呈近似线性关系，设第i个货格的X轴质心为x_i，整个飞行器质心变化函数F(x_i)，货格质心变化与整个飞行质心变化关系折线示意图如图3所示。

整个飞行器的Y轴坐标和Z轴坐标变化与X轴坐标变化类似，因此整个飞行器Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格质心y轴方向和z轴方向质心的近似线性函数。

步骤四、确定飞行器质心调整采用周期性方式制定任务计划。

由于飞行器上某个货格的质量变量对整个飞行器的质心变化呈现近似线性函数关系，飞行器在运行一段时间内质心变化是呈现近似线性变化。因此飞行器质心调整采用周期性方式制定任务计划，即通过调整相关货格的质量，使得飞行器“再次”满足质心安全条件，然后将任务计划通知工作人员，工作人员按照一定次序完成货格内物资的调整，使得已经偏离质量的飞行器，再次整个飞行器的质心值矫正到安全飞行范围。

本实施例通过构建近似线性消耗模型，分析飞行器内物资消耗量在一定周期内呈现近似水平直线，即满足近似均匀分布，利用近似线性消耗模型推演得到整个飞行器X轴质心、Y轴质心和Z轴质心变化斜率是关于某个货格分别与质心x轴方向、质心y轴方向和z轴方向质心近似线性函数，从而提出该应用物资消耗模型推演验证配平结果的方法，提供配平结果的可靠性。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。