绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性

在空间绳网的绳系组合体拖曳变轨运动控制中,系绳张力控制策略需要有一套卷扬机构及张力检测控制装置,将增加机构的质量、复杂度和成本,并降低操作可靠性。提出仅利用拖船飞行器上的三轴正交喷嘴控制策略,可同时实现拖曳离轨中的相对运动控制和系统质心的轨道控制,而系绳张力只作为约束,推导了组合体拖曳离轨的三维空间运动动力学模型,给出了一种准霍曼拖曳离轨控制方法,完成了同步轨道废弃目标拖曳离轨方案的初步可行性仿真验证,并给出了拖曳过程的喷气力、燃料消耗量指标,可供空间绳网研究参考。     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后，在轨道转移过程中的精确控制问题，提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先，采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型；其次，通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制；再次，提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动，采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动，规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后，通过拖曳离轨全过程仿真分析，校验了所提出控制方法的有效性。     

空间非合作目标物柔性捕获技术进展

分类探讨了近年来出现的多种空间柔性捕获技术的原理及性能特点，给出了一些具有代表性的案例，结果表明：空间绳系捕获技术在理论及试验研究方面都相对成熟，是未来行之有效、可工程实现的柔性捕获方式之一。重点针对空间非合作目标物捕获中容易出现的翻滚问题，对比分析现有的几种常用的接触式消旋方法，分析表明能同时实现捕获+消旋的一步式消旋法更具有应用前景。以空间绳系捕获技术作为空间柔性捕获的代表，对其捕获后的空间绳系组合体动力学模型建立过程中的系绳模型进行了综述，指出了各种系绳模型的优缺点及适用条件。对系绳控制机构进行了分类综述，给出了设计系绳控制机构需重点关注的问题。最后对空间绳系捕获技术的发展方向做了展望。     

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。     

绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题，在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上，综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展，主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。     

空间绳系编队的动力学及稳定展开控制研究

以三角构型的空间绳系编队系统为对象开展了动力学特性分析和稳定展开控制研究。首先，针对以往编队动力学建模的精度问题，采用Lagrange法建立了系统动力学模型，建模时充分考虑了系绳的弹性，可在不增加计算量的同时保留系统的弹性特性。其次，根据所建立的动力学模型，定量分析了编队自旋稳定时自转角速度的范围，为之后的稳定展开控制提供理论依据。由于受制于执行机构精度和控制输入的限制，空间绳系编队系统是一个典型的欠驱动系统，采用分层滑模实现编队的稳定展开控制，仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。     

空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析

针对空间绳网捕获应用,进行了多收口质量块收口过程的动力学分析。以一种自适应双卷筒卷取机构为研究对象,考虑包含有三个质量块的收口系统,通过建立收口质量块质点运动微分方程、收口绳长约束方程并利用非正交变换方法,给出了各收口质量块质心运动与缆绳卷取运动耦合的动力学模型,仿真分析了质量块平动发射和系统自旋发射等典型收口过程的运动特点,给出了一些收口过程的驱动控制策略,同时也说明此类自适应收口质量块具有较强的自适应性和容错性,适用于空间绳网捕获系统。另外,以上分析也适用于采用缆绳控制的绳系卫星编队系统。     

绳网拖曳带帆板失效卫星的波动控制

针对带有柔性太阳帆板的失效卫星，提出了一种基于波动控制理论的控制方法，同时实现了绳网拖曳过程中稳定碎片姿态与抑制帆板振动两个目标。首先，提出一种新的绳网简化结构，用Kane方法建立了动力学模型，使其能够在保证运算效率的同时具有更高的精度。然后，针对系统特性设计了波动控制策略，仅需要输入系绳张力的大小和方向，便能通过拖船位置的改变来消除失效卫星的自旋和帆板振动。最后，通过数值仿真验证了控制律的有效性。仿真结果表明，在控制律作用下的拖曳过程中，失效卫星的姿态能够快速稳定，同时帆板的振动也得到了良好的抑制。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

Tether-platform coupled control

From the control point of view, tethered systems pose several challenges, the major one pertaining to the regulation of the unstable system dynamics during the retrieval phase. On the other hand, the system configuration permits design of controllers using length rate, tension and offset schemes, which are not feasible with other satellites. Here “offset” refers to the time dependent variation of the tether attachment point at the platform end. The present paper studies several applications of the offset scheme in controlling the tethered systems. To that end, planar equations of motion of a space platform based Tethered Satellite System (TSS) are derived by the Lagrangian procedure. This is followed by representative results aimed at the offset control of platform pitch, tether attitude and vibration motions. The offset scheme is used for simultaneous control of platform and tether pitch motion. Finally the attention is directed towards simultaneous regulation of the platform pitch and longitudinal tether vibration. The numerical results clearly show considerable promise for the offset control scheme in regulating tether, platform and combined tether-platform dynamics.     

绳系空间太阳能电站动力学响应分析

利用绝对节点坐标方法研究绳系空间太阳能电站在轨飞行的太阳能电池板动力响应。通过勒让德变换引入广义动量,在约束哈密尔顿体系下建立轨道、姿态和弹性振动耦合的动力学方程。基于祖冲之类方法的思想,结合辛龙格-库塔方法对微分-代数方程进行数值求解。数值算例说明本文建模方法和数值算法都是有效的,能很好地保持系统约束和能量。最后分析了绳长、平台系统的质量、轨道高度对于梁中点挠度和轴向平均应变的影响。     

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。     

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。     

带鸭翼的弹性高超声速飞行器非线性控制

高超声速飞行器纵向静不稳定、非最小相位和突出的弹性效应等特性给飞行器控制系统设计带来严峻挑战。针对该问题,文中采取鸭翼作为附加俯仰控制舵面与升降舵进行联动控制的策略,以改善高超声速飞行器的非最小相位特性和严重的弹性效应,从而达到提高控制性能的目的。首先,给出了考虑弹性模态的高超声速飞行器动力学模型;其次,研究了鸭翼对飞行器非最小相位特性以及弹性模态响应的影响,并给出合适的鸭翼布局位置和鸭翼/升降舵联动增益参数;最后,采用基于反馈线性化方法和LQR理论的非线性控制器对弹性飞行器进行控制,对比分析了鸭翼联动控制对闭环控制性能的改善作用。研究结果表明,合理的鸭翼配置可以缓解系统的非最小相位特性带来的不利影响,同时避免了控制输入对特定弹性模态的激励,从而达到提高弹性高超声速飞行器控制性能的目的。