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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

Stability of a ring of connected satellites

The motion of a large number of artificial satellites connected in a ring one after another by tethers of variable length is considered. Every satellite is supposed to have a control system programmed according to some tether tension law as a function of the distance between tethered satellites. The effect of the tension control law on the stability of stationary rotation of this ring is investigated. The final stability condition includes two requirements: 1) the nominal tether tension should be less than a definite limit equal, up to numerical coefficient, to one satellite weight divided by the number of satellites; 2) tether tension should decrease (or remain constant) with the increase of the distance between tethered satellites. In dynamics the artificial rings of this kind are much like their natural prototype—meteor rings. On the other hand, the investigation of the artificial rings contributes to developing an unexpected view upon meteor rings, suggesting a model of an imaginary equivalent string.     

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。     

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

Fractional order tension control for stable and fast tethered satellite retrieval

The retrieval of a tethered satellite system is intrinsically unstable. This paper develops a new control strategy to retrieve the tethered satellite system stably and quickly using the fractional order control theory. The governing equation of the tethered satellite system and classic linear feedback tension control law were first reviewed and examined as a benchmark. Then, a new fractional order tension control law has been to avoid the tethered satellite winds around the main satellite near the end of retrieval by existing integer order tension control laws. The newly proposed control law has been discretized and implemented by the Laplace transform and Tustin operator. Unlike the existing integer order control laws, which are based on the feedback of current state and memoryless, the fractional order control law has the memory of previous states and thus controls the tether retrieval more smoothly while maintaining the retrieving speed. The effectiveness and advantage of the new fractional order tension control law is demonstrated numerically by comparing with its integer order counterpart. The results show that the new control law not only retrieves the subsatellite without winding around the main satellite, but also provides a better control performance with smaller in-plane libration angles.     

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。     

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。     

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。     

一种用于空间系绳卷取的自适应机构

针对空间绳网系统的缆绳收口要求,介绍了一种由双转子电机、双卷筒和自由导绳套筒组成的自适应缆绳卷取机构,给出了机构的设计思路。通过建立其系统动力学方程,据此得到系统各状态变量的稳态解,理论和实验分析缆绳卷取过程的特性,证实此卷取机构的有效性和一定的适应性,为类似空间绳系的卷取机构设计提供参考。     

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。     

Satellite pitch and roll attitude maneuvers through very short tethers

Explored here is the feasibility of achieving satellite pitch and roll attitude maneuvers through tethers. The proposed tethered satellite system (TSS) comprises of four identical tethers connecting the auxiliary mass to the satellite at its four distinct off-centered and equiangularly spaced points. The open-loop tether length control laws have been developed in order to achieve arbitrary pitch and roll attitude slewing maneuvers. Numerical simulation of the nonlinear governing equations of motion for these tether length variations establishes the feasibility of executing fixed as well as chase-slewing maneuvers. Nearly passive nature of the proposed mechanism using very short tethers along with small auxiliary mass needed makes the concept particularly attractive for future space missions.     

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。     

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。     

Orbital and relative motion of a tethered satellite system

A simplified model for the orbital and relative motion of a tethered satellite system is presented. The tether acts as a light elastic string with small structural damping but without bending stiffness. Its mass is taken into account in the calculation of the total kinetic and potential energies of the tethered system. This formulation allows the inclusion of the complete gravity gradient influence on the dynamics of the system. The resulting three-dimensional motion is separated in the centre of mass orbital motion on the one hand and the relative motion of the end-bodies on the other. No restrictions on length of the tether or on mass ratio of the end-masses are imposed. It is found that the frequencies and amplitudes of the longitudinal tether oscillations are realistic as long as the tether mass is less than that of the subsatellite.     

利用姿态机动的绳系卫星编队系统轨道协同控制

为克服绳系卫星编队系统在轨道机动过程中的系绳摆动现象，提出一种通过调整领航星推力方向进而实现编队系统轨道跟踪的控制算法。由于推力方向角与状态量互相耦合且少于系统自由度个数，轨道协同控制属于典型的非仿射欠驱动控制问题。针对此问题，首先采用升阶法将角速度作为虚拟控制输入；然后为各子系统设计子滑模面后加权得到高层滑模面和等效控制输入律，并设计观测器估计系统非线性项；其次基于模型预测控制算法优化得到最高层滑模面的趋近控制律；最后采用MATLAB/Simulink验证了所提控制算法的有效性。     

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。