基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态，为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响，本文建立了一种简单的平面哑铃模型，将系绳视作有阻尼的弹簧，两个卫星视作刚体，考虑重力梯度力矩。通过仿真，发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

绳系卫星系统耦合振动频率的确定

将N(N≥2)体绳系卫星系统的各节系绳分为足够多的小段,如共有M-1段,每小段上的系绳张力可认为是常量。这样由N 体问题转化来的M 点问题即可逼真系绳张力沿系绳的变化。利用中间连接点的边界条件,M 点边界值问题可简化为等效的两点边界值问题,从而平面内耦合振动频率的求解归化为四阶行列式的求值。由绳系卫星系统运动中心概念推导出的每小段系绳张力的平均值,被用于系统振动频率的求解。并给出一套适合于编制计算程序的求解轨道平面内耦合振动频率的数学表达式,以及一组模拟计算结果。     

空间微重力组合体及其控制

空间微重力组合体是绳系卫星系统的升级版,有更强大的功能和应用前景。可是在无控状态下,新旧两款系统的留位（系绳伸出长度不变）和回收（系绳回卷收缩）运动都不稳定,必须置入有效的控制算法才能使其稳定运行。从绳系卫星的简化动力学模型入手,抓住微重力和动态运动中的惯性力相互关系,推导出基础型和扩展型的距离速率控制算法,简明有效地抑制这些系统的不稳定运动和改进空间组合体在轨交会对接控制技术。该算法也可应用于有分布质量和弹性变形的连续系绳的动力学模型以及其他更复杂的绳系卫星（家族）系统的控制中。     

柔性系绳平衡状态临界绳长研究

为了确定柔性系绳系统在平衡状态下的临界绳长,在考虑大气阻力、系绳伸展性、系绳质量等因素的情况下,基于系绳系统轨道运动建立了系绳平衡状态方程.为确定求解系绳平衡方程所需初值条件,分析了载荷受力情况并建立其平衡状态方程,进而分析给出了系绳长度达到临界值的条件以及临界绳长的计算方法.仿真计算了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数这三种情况下系绳的临界绳长,分别拟合得到这三种情况下临界绳长的计算方程,并分析了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数对系绳临界绳长的影响.      

随机扰动情况下绳系卫星状态保持阶段的最优控制

在考虑系绳弹性的情况下, 建立绳系卫星轨道面内运动的动力学模型, 并在系统平衡位置线性化, 得到绳系子星在随机扰动作用下的稳态保持状态方程. 引入基于卡尔曼滤波的状态估计方法和最优状态反馈控制策略, 提出了保持系统稳态运行的控制方法, 并以YES2空间系绳试验为参考模型设计了稳态保持控制系统. 分别在不考虑系绳弹性和考虑系绳弹性的系统模型下进行相应仿真分析, 结果表明所提出的控制方法能使系统具有良好的抗干扰性能, 系绳控制张力变化平缓且幅值小, 提高了系统状态保持阶段的可靠性和安全性. 同时系绳刚度系数的减小可使系绳纵向振动加剧, 但对横向摆动影响较小, 这为选取合适的系绳材料提供了理论参考.      

二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20 m×30 m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。     

带偏置点的绳系拖拽离轨系统动力学研究

考虑空间拖船利用飞网/飞爪对空间残骸捕获结束后绳系拖拽系统的动力学特性,开展了基于简化的带偏置点构型的建模及仿真研究.首先,捕获后的组合体包括空间拖船、系绳和空间残骸,系绳在空间残骸一端的牵挂点看作偏置点,给出相应的的绳系拖拽系统构型;其次,以降轨离轨过程为例,建立系统能量方程,并根据欧拉-拉格朗日方程给出系统的动力学表达式并估算系绳张紧情况下的平衡点;最后,设定离轨推力,在不同的初始角速度、系绳张紧或松弛以及不同松弛程度条件下,分析绳系拖拽离轨系统的动力学行为.研究表明,空间残骸小的初始角速度和张紧或略微松弛的系绳能够保证安全离轨.     

一组新的绳系卫星系统广义坐标

应用一组新的六维广义坐标,在一个统一的力学系统中,研究在外摄动力（地球非球形引力与大气阻力等）及系绳拉力的作用下,绳系系统质心在惯性空间的轨道运动,以及该系统相对于质心的相对运动。系绳模拟为具有质量的弹性连续体,系绳两端的空间飞行器假设为点质量。下列变量取为力学系统的广义坐标：系统质心的向径、赤经、赤纬,主星与子星之间的距离,以及系绳相对于系统质心子午面的两个欧拉角。经典的质心轨道根数,以及系绳在质心轨道面内与轨道面外的摆动角,均可由上述六个广义坐标及其广义速度确定。     

基于里兹法的绳系卫星动力学仿真

同时考虑系绳质量、弹性、形变等因素的绳系卫星系统动力学仿真是复杂的非线性偏微分方程求解问题.为便于构造连续型模态函数,采用了基于牛顿定理及广义胡克定律建立的绳系卫星系统动力学模型.基于里兹法将位移函数构造为模态函数与待求系数的线性组合,进而将原本复杂的非线性偏微分方程转化为较常见的非线性常微分方程.仿真算例基于绳系系统从稳定平衡位置及面外角5.自由展开来进行,数值仿真印证了绳系系统的基本动力学特性,同时发现系绳自由展开及摆动过程中有微弱弯曲现象且计算效率不够高.     

基于动力学递推算法的绳系卫星系统刚柔耦合多体模型

利用动力学递推算法建立了空间绳系卫星系统(TSS)的铰接柔性杆动力学模型.所研究的绳系系统包含两颗刚体绳端卫星和一段连接两颗卫星的柔绳,柔绳离散为一系列球铰连接的弹性杆,考虑杆不均匀的纵向一维形变,并利用球铰的运动模拟柔绳的弯曲和扭转;然后基于递推算法推导得出了该刚柔混合离散模型的动力学方程.数值仿真结果表明:所建立的绳系卫星系统模型能够很好地模拟空间系绳的各向摆振和扭转,此外,递推算法的引入能够有效地减少离散模型动力学方程的维数,从而大幅减少计算量.      

绳系卫星释放及工作态动力学分析

考虑强系卫星系统强索质量的影响，导出三维空间动力学方程，运用Pontryagin极小值理论求出释放过程中张力优化控制规律；得到最佳释放速度变化曲线，对子星工作阶段进行动力学分析。讨论系统质心沿椭圆轨道运动与姿态运动的耦合，文中附有算例。     

基于矩阵分解的空间系绳系统不完全反馈控制

针对利用空间系绳系统（STS）进行面内捕获过程中系绳展开后状态保持阶段及捕获完成后系统面内运动抑制等问题,在面内角和面内角速率信号丢失情况下,基于矩阵分解采用不完全状态反馈控制方法,设计出能够抑制系绳展开完成后所出现的非标称行为、捕获后面内摆动的张力控制律,进而使系统回稳。将所设计的控制律与线性二次调节器（LQR）+降维观测器方法对比,在参数不确定的条件下检验该控制律的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制律在超调量和调节时间上优于LQR+降维观测器方法,能够有效控制系绳的展开误差及捕获过程所带来的面内扰动。所设计的控制律结构简单,控制效果良好,且设计过程无需参数调整。      

Estimation of flexible space tether state based on end measurement by finite element Kalman filter state estimator

This paper proposes a novel finite element Kalman filter to estimate the unmeasurable state of space tether systems based on the measured state at its ends only. The finite element method calculates the unmeasurable internal state as the virtual measurement based on the dynamic model of the system by imposing the input of measured state at the boundary to the model using the Lagrange multiplier method in the spatial space. Combining the real and virtual measurement into a hybrid measurement model of the system, the full state is reconstructed and propagated in the temporal space by the extended Kalman filter. Two state-space system models, the dynamics-based and kinematics-based state models, in the Kalman filter are explored. The observability and stability of the newly proposed finite element Kalman filter are examined and proved. The advantages of the proposed state estimator are (i) the singularity in the virtual measurement of state caused by the number of internal state greater than the number of state measured at the boundary is eliminated in the statistic meaning by the Kalman filter, and (ii) the effects of noises of the observation data and the uncertainties of model discretization are considered and minimized. The correctness and effectiveness of the proposed state estimator is demonstrated by the numerical analysis of a space tether system orbiting around the Earth. The results show the proposed state estimator with only measured state at the ends of the tether successfully provides an accurate time history estimation of geometric configuration and motion of the entire tether. Moreover, the results also show the difference caused by the dynamics-based and kinematics-based system models in the state estimator is negligible. The kinematics-based system model should be used in the state estimator due to its significantly low computational load. Finally, the proposed method can be easily applied for the state estimation process for other space tethered spacecraft systems.     

含无质量系绳的卫星系统平面运动和常规动力学

研究绳系卫星系统在同一轨道平面内运动，由子星－母星之间相对位置向量描述，亦即由该向量的长度变化和方位角的化而决定，在引入距离速率控制算法之后，系统的动力学主要由方位角运动而定，当母星轨道为圆形时，系统运动状态具有极限点，而在椭圆轨道下则有极限环，采用了非线性动态系统的方法和技术来计算极限状态和分析它们的稳定特性，用本文中方法对TSS－1以及其他绳系卫星系统方案作了数值模拟。