绳系卫星系统动力学,运动学与控制评述纲要

基于作者对绳系卫星系统的研究成果,比较全面、系统、扼要地阐述了绳系卫星系统在动力学与运动学方面的特性与研究方法,并对绳系系统的控制技术作出评述。     

绳系太阳能发电卫星姿态机动的主动振动控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和基于绳中张力的主动振动控制技术相结合的复合控制方法。建立了绳系太阳能发电卫星系统的动力学方程,并基于任务函数控制算法设计了主控制器保证卫星姿态的渐近稳定和挠性结构振动的衰减性;考虑到绳的非线性特性,基于任务函数控制算法设计了绳系卫星系统的主动振动抑制辅助控制器来抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性。将该方法应用于绳系卫星的大角度单轴回转机动的仿真研究,结果表明:该方法不仅能够使绳系卫星完成姿态机动,而且能够有效地抑制太阳能板的振动。     

含不确定性的绳系卫星姿态的鲁棒最优控制

针对绳长变化的旋转二体绳系卫星姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。首先针对单体绳系卫星姿态模型,在假设模型精确和不存在干扰的条件下,设计基于HamiltonJacobiBellman方程的最优控制器;进一步考虑到实际系统存在参数不确定性和干扰,采用自适应方法和鲁棒误差积分方法隐式学习参数不确定性和有界干扰,与最优控制器结合设计鲁棒最优控制器,并应用Lyapunov稳定性定理证明其闭环系统的渐近稳定性。其次,根据绳系卫星系统的运动同步性,将单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至二体绳系卫星系统,设计二体绳系卫星姿态系统的分布式鲁棒最优控制器。最后在Matlab/Simulink平台上进行仿真验证,结果表明了所设计控制器的可行性与有效性。     

绳系卫星系统交会对接的应用与设计

文章介绍了绳系系统交会对接这项新技术在空间中的应用。主要包括:空间站利用系绳与航天器交会对接,实现为空间站提供各种供给;利用绳系系统与空间碎片对接,可回收或转移空间碎片,保护空间环境;利用一级或多级的绳系系统组成轨道转移系统,实现向地球同步轨道或火星轨道上转移和运送有效载荷。文章还介绍了绳系交会对接系统的设计,包括系统的一般控制方法和算法以及系统的结构设计。随着各项相关技术的发展,绳系卫星系统交会对接将发挥更大作用。     

绳系卫星被动释放无超调脉宽脉频调制控制

针对空间绳系卫星释放过程中无超调释放和正向速度约束问题,提出一种新的离散控制绳系无超调释放的方法。该方法基于绳系卫星系统动力学模型建立离散控制的动力学模型,通过反馈线性化和反步法设计出理想的释放轨迹。提出一种基于输入受限的离散控制算法,并运用该算法进行了理想释放轨迹跟踪仿真试验。结果表明,该离散控制方法可以实现绳系无超调释放,并保持释放速度始终非负。仿真结果验证了输入受限离散控制方法在空间绳系卫星释放过程中的有效性,为空间绳系卫星释放系统设计提供了参考。     

论绳系小卫星的应用与技术可行性

借助空间系绳的作用,绳系小卫星增强与扩大了现代小卫星的能力,在空间探测与航天技术中具有独特的功能,可承担一般小卫星不能承担或难以承担的太空使命。本文阐述绳系小卫星在太空使命(空间开发与应用,空间环境探测,以及航天新技术试验与演示等)中的应用及其原理,包括建造微重力空间平台,实现机动变轨,进行空间环境探测,以及利用导体系绳装置生成电能、贮存能量、提升轨道等。通过对小型绳系系统SEDS-1、SEDS-2、PMG、TiPS飞行试验的综述与分析,论述绳系小卫星技术可行性与成熟性,包括系绳的伸展,子星的控制,系绳的切断,子星的再入,导体系绳的电动力学应用,以及长系绳生存能力等。对中国绳系小卫星的应用与技术发展提出方案设想。     

空间飞行器动力学与控制研究综述

概括介绍了近年来空间飞行器的动力学与控制研究的发展状况,综述了单星动力学建模和控制技术、多星动力学建模和控制技术,以及太阳帆航天器、绳系卫星等新型航天器动力学与控制技术等相关航天领域中的若干基础问题,总结了在这些领域中的研究方法及取得的成果。提出了相关领域中值得深入研究的问题及后续发展方向,如深空探测的轨道动力学、超大尺度柔性航天器的动力学建模与协同控制技术、敏捷卫星的机动控制技术、多星姿轨耦合动力学和控制技术、太阳帆航天器动力学与控制技术,以及空间绳系卫星系统的动力学与控制技术等重点和主要发展方向。     

绳系卫星系统的运动与控制

绳系卫星系统的运动与控制分析,是绳系卫星应用的基础。本文的数学模型考虑了作用在子星、主星及系绳上的空气阻力以及在伸展与收回阶段主星与系绳之间的质量传递,给出了相应的具体的计算式。应用该数学模型,本文对现有的几种主要控制法,进行了模拟计算,作出评审意见。     

空间绳系研究综述

空间绳系根据原理主要分为两类:动量交换绳系和电动力绳系。文章详细介绍了两者的基本原理、动力学模型和控制策略,描述了空间绳系技术实验项目的研究情况以及绳系结构设计和生存能力问题,对空间绳系的研究热点以及发展趋势进行了预测,同时列举了大量关于空间绳系技术的参考文献。研究表明:动量交换绳系和电动力绳系都可以实现无推进剂推进,提供各种离轨和再入功能,具有广阔的应用前景。     

基于修正罗德里格参数的绳系卫星动力学模型

针对基于欧拉角的绳系卫星动力学系统模型在面外角的余弦函数为0时,面内角变得不稳定的奇点问题,提出一种基于修正的罗德里格参数和其阴影相结合的绳系卫星系统动力学模型。在证明了其在消除奇点问题可行性的基础上,进行了仿真,实验结果表明该模型在消除奇点的优势下,修正的罗德里格参数及其阴影的非连续性转换并不会影响到欧拉角的连续性变化和表示,具有全局性。     

电动力绳系研究进展

介绍了电动力绳系的主要构造及工作原理,回顾了国内外关于电动力绳系的研究历程,并总结了相关在轨试验进展情况。从绳系模型、轨道动力学以及绳系展开动力学与控制等几个方面对电动力绳系进行了分析,最后对电动力绳系技术未来的发展和应用做了展望。     

新型绳系交会对接方案

介绍了绳系系统的三种R-bar和两种V-bar交会对接方案.给出了各方案的实现过程,分析和比较了对接性能及优缺点.研究表明绳系对接方案具灵活、控制精度高等特点,其安全性可获双重保障.     

系绳力对降落伞拉直过程的影响

文章采用多刚体模型研究了伞绳的系力对降落伞拉直过程的影响。在物伞系统的动力学模型中将引导伞、伞包、伞绳及回收物处理为开链式多刚体,提出了n阶的递推算法来求解绳段间的约束力。利用该模型研究了伞绳的系力对物伞系统运动的影响。仿真结果表明伞绳的系力是影响伞包角加速度的关键因素。     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

绳系卫星的一种新型高阶滑模控制器设计

针对绳系卫星轨道转移控制问题,给出绳系卫星在轨机动模型并将面内运动处理为典型的欠驱动形式;为实现对面内摆角的跟踪控制,定义滑模面并建立积分链系统,设计一种新型高阶滑模系绳张力控制律,得到无抖振控制量,这种控制律在保证高精度跟踪的前提下,有效避免了控制抖振现象;关于滑模面的高阶滑模运动建立后,在平衡点对闭环系统线性化,根据劳斯判据,闭环系统在平衡点是局部渐近稳定的。最后,通过仿真分析,验证了所提出控制算法的有效性。     

系统参数对电动力绳系动力学的影响

将电动力绳系(EDT)的主星质量、子星质量、绳系质量以及绳系中的电流视为系统参数，研究这些参数对系统的摆动动力学和轨道动力学的影响。哑铃模型下的电动力绳系摆动动力学方程存在不稳定的周期解，通过Floquet理论来衡量周期解的不稳定程度，从而研究各系统参数对摆动动力学的影响。建立了用春分点轨道元素的形式描述的电动力绳系轨道动力学方程，并以降轨时间来衡量电动力绳系的降轨效率，从而研究系统参数对轨道动力学的影响。运用算例对周期解迁移矩阵的特征值、降轨时间随各系统参数的变化关系进行了仿真，分别得出了各系统参数对系统摆动动力学和轨道动力学的影响。综合本文的仿真结果，并考虑实际发射及空间运行中的其它因素，对电动力绳系的设计和降轨策略提出了建议。     

火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。     

绳系卫星系统复杂模型研究

对绳系卫星系统提出一种仿真度更高的动力学模型，着重研究状态保持阶段的子星的振荡与姿态运动。主星设为质点，与系统质心相合，作圆轨道运动；子星取为三维刚体，系绳采用株式模型。除绳系统动能、引力位能及系绳弹性势能外，还考虑了系绳的结构阻尼，以及由系绳外皮包引起的弯曲力矩与扭转力矩。计算机辅助推导参与模拟计算程序设计。     

改进的绳系卫星系统距离速率控制律

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。     

大气阻力摄动下的绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制研究

以绳系辅助离轨系统为背景,考虑到大气阻力摄动和子星--返回舱的非质点因素,返回舱与绳系辅助离轨系统的相对姿态将产生大幅周期性变化,这将影响或破坏系统的稳定性;同时三自由度下绳系系统的展开控制和绳系系统横向振动抑制控制也对返回舱姿态的稳定性和精度提出了更高的要求.基于此,本文建立了大气阻力摄动下的绳系系统的展开动力学和返回舱姿态动力学模型;并在此基础上,设计了绳系辅助离轨系统的相对姿态跟踪控制策略.通过数学仿真来验证大气阻力摄动下该姿态跟踪控制算法的有效性,结果表明,该控制律能够有效控制绳系辅助离轨系统的相对姿态,满足展开控制的需要.