专利名称：一种纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法
技术领域：
本发明涉及航天动力学技术领域，尤其涉及一种纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法。
背景技术：
一些以基础物理实验为任务目标的空间任务，如探测引力波和检验广义相对论的LISA和ASTROD任务，需要验证质量沿着纯引力轨道飞行(参见期刊《经典与量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2003 年第 20 卷的文章 “LISA 的集成模型(The LISAintegrated model) ”和期刊《原子核物理B》(Nuclear Physics B) 2007 年第 166 卷 153-158页文章“ASTR0D (激光天文动力学)and ASTROD I”)。同样，利用验证质量沿着近地纯引力轨道飞行，并获取验证质量的纯引力轨道，能够用于精确测量地球重力场(参见期刊《国 际宇航联会刊》(Acta Astronautica) 2012年特刊文章“采用精密编队飞行技术获取纯弓I力轨道(Acquirement of pure gravity orbit using precision formation flyingtechnology)，，)。对于这些任务的科学目标而言，外航天器作用在内部验证质量上的万有引力是一个主要的干扰力，影响纯引力轨道的性能水平(参见《经典与量子引力》(Classicaland Quantum Gravity) 2004年第21卷第5期S653-S660页的文章“当前的LISA残余加速度误差估计(Current error estimates for LISA spurious accelerations)，，)。因此，对纯引力轨道的万有引力干扰进行抑制，是提高纯引力轨道性能的重要内容。现有技术中，LISA模型团队建立了万有引力干扰的数值计算方法，采用航天器有限单元模型提供的结点质量和位置，并将每个单元近似为质点计算其对验证质量的引力、力矩和梯度作用，然后对所有单元求和得到整体量(参见《经典与量子引力》(Classicaland Quantum Gravity) 2005年第22卷第10期S395-S402页的文章“LISA自引力分析模型(Self-gravity modeling for LISA)”)。由于万有引力干扰超过了允许范围，LISA模型团队为其先验任务LISA探路者设计了一个环形补偿块，实现了对万有引力及其梯度的有效抑制(参见《经典与量子引力》(Classical and Quantum Gravity) 2005年第22卷第10期S501-S507页的文章“LISA探路者的万有引力干扰补偿(Gravitational compensationfor the LISA pathfinder)，，)。但是LISA任务中，验证质量相对其标称位置的偏移量在Pm量级，因此万有引力干扰补偿可以视为抵消外航天器在某一点的万有引力，而更广泛的纯引力飞行任务中，验证质量相对于其标称位置具有cm量级的位置偏差，因此，LISA验证质量万有引力干扰补偿不能满足对特定区域的万有引力进行抑制的作用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，解决上述问题。为了实现上述目的，本发明纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法采用的技术方案如下
步骤S101，获取航天器质量分布数据，确定万有引力干扰的作用域，计算所述作用域内的万有引力干扰，并明确所述作用域内的万有引力干扰抑制要求；步骤S102，选取参考点，设置所述参考点的万有引力干扰抑制目标；步骤S103,确定质量补偿设计结果；步骤S104，将所述质量补偿设计结果添加到所述航天器质量分布数据中，重新计算所述作用域内的万有引力干扰；步骤S105，检验所述补偿设计结果是否满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求；步骤S106，根据步骤S105的检验结论，若满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求，则得到一个可用的补偿设计结果，根据所述可用的补偿设计结果确定补偿块的大小及安装位置；若不满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求，则重新设置所述参考点的万有引力干扰抑制目标，重复步骤S103-步骤S105。所述的质量补偿设计结果根据所述参考点的万有引力干扰抑制目标及对补偿块加工和安装精度的工程和工艺约束确定。所述参考点位于所述作用域内。所述参考点的万有引力干扰抑制目标通过以下公式确定Fjjt < FJjr| , j = x, y, zFjj 11 + Tt I 12 d < FJjr| , j = x, y, zFt为所述参考点的万有引力，Tt为所述参考点梯度的抑制目标，d为所述作用域的包络半径。所述参考点的万有引力干扰及所述参考点梯度抑制通过以下公式进行计算
sin cos ￠7; I Fxfi Fx，cGYi n% sin0sin灼 + F 0 二 F , i = 1,2, ...，n
“d) COS^,F0 F
L I」_ 2，0 _ _ 二，c _
2(sinOi cos (Pi f — (sin Oi sin (Pi f — (cos Oi f「Vxxfi I 「FTX，C —
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1 (ro + ri) -3(sin Oi cos Cpi) (sin 9t sin<pt)k.，0 ; x》'’c
-3(sin Gi cos ) (cos Gi)^xz'0
xz’c
-3(sinBi sin) (cosOi)L「vz，0」 L^>’z，c —其中，r。是包含验证质量的腔体半径,Fx,C1, Fy,C1, Fzj0是补偿前航天器在验证质量标称位置处的万有引力，Vyyj0, Vzzj0, Vxyj0, Vzxj0, Vyzj0是补偿前航天器在验证质量标称位置处的万有引力梯度分量，Fx,。，Fy,。，Fz,。，Vxx,。，Vyy,。，Vzz,。，Vxy,。，Vxz,。，Vyz,。分别是补偿后的万有引力与其梯度分量。所述补偿块的质量和安装位置根据由所述参考点万有引力干扰抑制目标和补偿块的质量和安装位置约束建立的补偿块质量和安装位置约束优化模型确定。所述补偿块的质量为4 3mj 二 'Tcri pc, I = 1,2,…n
其中，设补偿块的个数为n个，&为所述n给补偿块的半径，i = 1，2吣11，P。为补
偿块的密度。所述补偿块的大小和安装位置约束优化模型通过以下公式确定目标:mmI>z，i= 1,2,…，n
irj ^ 0,0 ^n ,Q < (Pi <2tt约束IFj, c I ( I Fj, 11，j = x，y, zmax(|Vj，|Vyy,c|, |VZZ,C|，|Vxy,c|, |VXZ,C|，|Vyz,c|) ( I Tt | |2将n从I逐渐增大，直到n = Iitl时出现可使用补偿设计结果；若不能得到可使用的设计补偿结果，则调整Ft和I |Tt| I2，重新对所述补偿块的大小和安装位置约束优化模型进行求解。本发明的有益效果可以总结如下在纯引力轨道空间系统中，能够采用较少的补偿质量，实现对验证质量可达范围内的万有引力干扰的抑制。
图I是本发明的设计方法流程图；图2是本发明以验证质量标称位置为原点，建立的直角轨道坐标系O (X，Y，z)和球坐标系《(屮)。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图I所示的本发明的设计方法流程图，本发明的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，是一个迭代设计方法，步骤如下步骤S101，获取航天器质量分布数据，确定万有引力干扰的作用域，计算作用域内的万有引力干扰，并明确作用域内的万有引力干扰抑制要求；步骤S102，选取参考点，根据参考点在作用域内的位置，设置参考点的万有引力干扰抑制目标；步骤S103，根据步骤S102所设置的参考点万有引力干扰抑制目标，以及补偿块的大小和安装位置约束，建立补偿块质量和安装位置约束优化模型，并求解质量补偿设计结果;步骤S104，根据步骤S103的求解结果，依据对补偿块加工和安装精度的工程和工艺约束，确定一个补偿设计结果；步骤S105，将步骤S104所得的补偿设计结果，添加到航天器质量分布数据中，重新计算作用域内的万有引力干扰，检验是否满足万有引力干扰抑制要求；步骤S106，根据步骤S105的检验结论，若满足要求，则得到一个可用的补偿设计结果；若不满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求，则重新设置所述参考点的万有引力干扰抑制目标，重复步骤S103-步骤S105。本发明的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法的优点在于在纯引力轨道空间系统中，能够采用较少的补偿质量，实现对验证质量可达范围内的万有引力干扰的抑制。如图2所示的本发明以 验证质量标称位置为原点，建立的直角轨道坐标系o(x,y,z)和球坐标系《(A A供)，可进行如下计算根据牛顿万有引力定律，两个质点之间的万有引力为
权利要求
1.一种纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于包括 步骤S101，获取航天器质量分布数据，确定万有引力干扰的作用域，计算所述作用域内的万有引力干扰，并明确所述作用域内的万有引力干扰抑制要求； 步骤S102，选取参考点，设置所述参考点的万有引力干扰抑制目标； 步骤S103，确定质量补偿设计结果； 步骤S104，将所述质量补偿设计结果添加到所述航天器质量分布数据中，重新计算所述作用域内的万有引力干扰； 步骤S105，检验所述补偿设计结果是否满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求； 步骤S106，根据步骤S105的检验结论，若满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求，则得到一个可用的补偿设计结果，根据所述可用的补偿设计结果确定补偿块的大小及安装位置；若不满足所述作用域的万有引力干扰抑制要求，则重新设置所述参考点的万有引力干扰抑制目标，重复步骤S103-步骤S105。
2.根据权利要求I所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述的质量补偿设计结果根据所述参考点的万有引力干扰抑制目标及对补偿块加工和安装精度的工程和工艺约束确定。
3.根据权利要求I所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述参考点位于所述作用域内。
4.根据权利要求I或2所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述参考点的万有引力干扰抑制目标通过以下公式确定 Fjjt < FJjr| , j = x, y, z FjjtI+ Tt I 12 d < Fjjr I , j = x, y, z Fr为作用域内的万有引力干扰抑制要求，Ft为所述参考点的万有引力的抑制目标，Tt为所述参考点梯度的抑制目标，d为所述作用域的包络半径。
5.根据权利要求I所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述参考点的万有引力干扰及所述参考点梯度抑制通过以下公式进行计算 sin cos I Fxfi Fx^c GTj-——sinsin+ Fyfi = , i = 1,2, ...，n 七切)k J koj k— 2(sin Oi cos (Pi )2 — (sin Oi sin (Pi )2 — (cos Oi )2 「Vxxjj I 「Vxx/:— —(sin O1 cos % )2 +2(sin Oi sin <pf )2 — (cos Oi f Vyy^ Vyyx q\^ mi ^ - (s in Oi COS(Pi)2 ~~ (sin Oi sin ￠),. )2 + 2 (cos)2 + F^-° = K二，c，i = 1，2，...，n'i/o + i) -3(sin Oi cos (pt) (sin Oi sin Ipi)吼0 ^ x>'>c-3(sin Oi cos <pt) (cos Oj)^xz>c-3(sinOi sin) (cosOi)L「vz’0」 LC’w — 其中，r。是包含验证质量的腔体半径,FXj0, Fy,C1, Fzjo是补偿前航天器在验证质量标称位置处的万有引力，Vxx- Vyyj0, Vzzj0, Vxyj0, Vxzj0, Vyzj0是补偿前航天器在验证质量标称位置处的万有引力梯度分量，Fx,。，Fy,。，Fz,。，Vxx,。，Vyy,。，Vzz,。，Vxy,。，Vxz,。，Vyz,。分别是补偿后的万有引力与其梯度分量。
6.根据权利要求I所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述补偿块的质量和安装位置根据由所述参考点万有引力干扰抑制目标和补偿块的质量和安装位置约束建立的补偿块质量和安装位置约束优化模型确定。
7.根据权利要求6所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述补偿块的质量为 4 ,mI 二'^Pc, 1 = 1,2, ...n 其中，设补偿块的个数为n个，r,为所述n给补偿块的半径，i = I，2…n，P。为补偿块的密度。
8.根据权利要求5或7所述的纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，其特征在于所述补偿块的大小和安装位置约束优化模型通过以下公式确定 目标= L2，...，n ir4 ^ 0,0 ^ 0 i ( 3i ,0<(P{<2jz约束I Fj,。I ( Fjj 11 , j = x, y, zmax(|Vxx,c|, |Vyy,c|, |VZZ,C|，|Vxy,c|, |VXZ,C|，|Vyz,c|) ( | Tt |2将n从I逐渐增大，直到n = Iitl时出现可使用补偿设计结果；若不能得到可使用的设计补偿结果，则调整Ft和I |Tt| |2，重新对所述补偿块的大小和安装位置约束优化模型进行求解。
全文摘要
一种纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿设计方法，包括以下步骤1.获取航天器质量分布数据，确定万有引力干扰的作用域，计算作用域内的万有引力干扰，并明确万有引力干扰抑制要求；2.选取参考点，设置参考点的万有引力干扰抑制目标；3.确定质量补偿设计结果；4.将质量补偿设计结果添加到航天器质量分布数据中，重新计算作用域内的万有引力干扰；5.检验补偿设计结果是否满足作用域的万有引力干扰抑制要求；6.根据步骤5的检验结论，若满足要求，则得到可用的补偿设计结果；若不满足要求，则重新设置参考点的万有引力干扰抑制目标，重复步骤3-步骤5。通过本发明的方法，得到能够实现对特定区域纯引力轨道万有引力干扰抑制的质量补偿方案。
文档编号G01V7/00GK102636817SQ201210122340
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者张育林, 王兆魁, 范丽, 谷振丰, 项军华 申请人:清华大学