基于李群离散变分积分子3D摆姿态动力学研究

主要研究了作为地球静止轨道卫星简化模型的3D刚体摆的离散变分积分子求解方法。基于常微分方程的连续求解方法无法保持总能量的计算值在长时间仿真中守恒,导致计算的失真;而离散方法不存在误差积累的问题,故系统的能量能在长时间仿真中守恒,从而保证系统动力学参数的计算值在长时间的仿真中保持稳定。基于李群的离散变分积分子不需要添加约束条件便可保证系统几何结构的守恒,且有较高的计算效率。仿真结果表明:在李群离散变分积分子算法下,处于地球静止轨道上的3D刚体摆的能量,动量及几何结构的计算值都可保持恒定。

基于Lie群的刚体动力学建模及数值计算方法研究

基于Lie群和Lie代数之间的指数映射等价关系,推导了基于Lie群的自由刚体连续动力学方程.结合离散变分原理,推导了其Lie群离散变分积分子.通过证明可知连续和离散动力学系统都具有动量守恒性.对连续动力学方程进行同维化处理,使其变为常规非线性方程组的形式,利用Runge-Kutta法进行求解;基于Runge-Kutta基本理论,推导了直接用于Lie群的Runge-Kutta法,从而使Runge-Kutta法可用于求解变维非线性方程组;通过Lie代数变换,利用Kelly变换和Newton迭代对Lie群离散变分积分子进行求解.仿真对比结果表明,3种算法下的计算结果高度吻合,且能高精度地保持系统的结构守恒和动量守恒性.