一种保辛的航天器动力学仿真积分方法、装置及设备与流程

本发明涉及航天器动力学仿真，特别是指一种保辛的航天器动力学仿真积分方法、装置及设备。

背景技术：

1、常用的航天器转动运动姿态角度表示方法有欧拉角、四元数、方向余弦矩阵等。其中欧拉角表示法较为直观，用三个角度衡量本体坐标和相对坐标之间的姿态转动，但是在俯仰角接近90度时会呈现较大的非线性，具有奇异点，不利于仿真计算，更适于向观测者表示姿态。在内部计算和程序实现中，通常使用四元数，没有奇异点的问题，能够性能一致的表示360度全方位的姿态，但在四元数描述的刚体运动学方程中，隐含着四元数模等于1的约束条件，这使得直接使用差分法进行数值积分会发生数值漂移，随着积分时间的增长，范数会逐渐偏离1，为此必须限制时间步长并进行修正，这严重的限制了四元数在刚体动力学仿真中的应用。

技术实现思路

1、本发明提供一种保辛的航天器动力学仿真积分方法、装置及设备，解决了现有航天器动力学仿真方法存在奇异点以及在长时间积分时容易发生数值漂移的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明的实施例提出一种保辛的航天器动力学仿真积分方法，包括：

4、获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度；

5、基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型；

6、基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数；

7、根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程；

8、基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息。

9、可选的，获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，包括：

10、确定参考坐标系；

11、根据所述参考坐标系，确定航天器在所述参考坐标系中的初始位置；

12、根据所述参考坐标系，确定航天器在参考坐标系中的初始速度以及速度的方向；

13、根据航天器在参考坐标系中的初始速度以及速度的方向，确定航天器在参考坐标系中的初始姿态。

14、可选的，基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型，包括：

15、根据航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，确定航天器的角速度信息；

16、根据航天器的角速度信息，确定姿态变化参数；

17、基于所述姿态变化参数和角速度信息，通过预设函数，确定航天器姿态变化的微分方程；

18、使用欧拉法求解所述微分方程，获取航天器姿态随时间的变化；

19、根据航天器姿态随时间的变化，确定航天器姿态变化的数学模型。

20、可选的，基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数，包括：

21、确定参考点或参考物体，建立相对坐标系；

22、通过预设函数和坐标转换矩阵，将航天器的位置和速度从绝对坐标系转换到相对坐标系；

23、在每个时间步长内，根据航天器的动力学模型和控制输入，更新航天器在相对坐标系中的位置和速度；

24、根据更新的航天器在相对坐标系中的位置和速度，确定航天器在相对坐标系中的位置变化参数和速度变化参数。

25、可选的，根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程，包括：

26、根据航天器的结构和动力学特性，确定离散化方案，确定质点和元件的划分方式；

27、根据航天器的质量和速度变化参数，获取每个质点的动能；

28、根据航天器的位置变化参数和所受重力，获取每个质点的势能；

29、获取影响航天器动态行为的所有外部作用力；

30、基于牛顿第二定律和预设方法，根据每个质点的动能、每个质点的势能以及所有外部作用力，构建航天器动态行为的运动方程。

31、可选的，基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息，包括：

32、根据仿真需求和计算资源，确定数值积分算法；

33、根据仿真精度和计算效率的要求，确定时间步长；

34、从初始时刻开始，通过数值积分算法，按照确定的时间步长逐步对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的姿态、位置和速度的变化量；

35、根据航天器的姿态、位置和速度的变化量更新航天器的状态，获取航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息。

36、可选的，所述保辛的航天器动力学仿真积分方法，还包括：

37、根据航天器的任务需求和性能要求，确定当前航天器的状态信息和目标状态；

38、根据当前航天器的状态信息和目标状态，计算用于改变航天器的运动状态的控制力或力矩。

39、本发明的实施例还提供一种保辛的航天器动力学仿真积分装置，包括：

40、获取模块，用于获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度；

41、处理模块，用于基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型；基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数；根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程；基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息。

42、本发明的实施例还提供一种计算设备，包括：处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行上述的保辛的航天器动力学仿真积分方法。

43、本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，包括：存储指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的保辛的航天器动力学仿真积分方法。

44、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

45、本发明的上述方案通过获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度；基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型；基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数；根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程；基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息。避免了航天器动力学仿真方法存在奇异点和在长时间积分时发生数值漂移，提高了仿真的精准度，同时具有数值仿真效果更佳的优点。

技术特征：

1.一种保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，包括：

3.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型，包括：

4.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数，包括：

5.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程，包括：

6.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息，包括：

7.根据权利要求1所述的保辛的航天器动力学仿真积分方法，其特征在于，还包括：

8.一种保辛的航天器动力学仿真积分装置，其特征在于，包括：

9.一种计算设备，其特征在于，包括：处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括：存储指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至7任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供一种保辛的航天器动力学仿真积分方法、装置及设备，涉及航天器动力学仿真技术领域。所述方法包括：获取航天器的初始姿态、初始位置和初始速度；基于航天器的初始姿态、初始位置和初始速度，通过预设函数，构建航天器姿态变化的数学模型；基于所述数学模型，通过预设函数，确定航天器的位置变化参数和速度变化参数；根据航天器的位置变化参数和速度变化参数，通过预设方法，构造航天器动态行为的运动方程；基于数值积分算法，对航天器动态行为的运动方程进行时间积分，得到航天器的目标姿态信息、目标位置信息和目标速度信息。本发明的方案避免了在长时间积分时发生数值漂移，数值仿真效果更佳。

技术研发人员：徐丽杰,彭昊旻,布向伟,姚颂,魏凯,徐国光,张弛
受保护的技术使用者：东方空间（江苏）航天动力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11