电动力绳系离轨系统电流与拉力混合展开控制

电动力绳系离轨系统是一种典型的空间碎片主动消除技术,本文针对电动力绳离轨系统在初始阶段展开的控制问题,仅通过调节有限的系绳张力与电流,不依赖其他推进器,将导电系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。首先,采用倾斜偶极子地磁场模型,建立考虑系绳质量的近地轨道二体电动力绳系卫星系统动力学模型;其次,在系绳张力与电流存在约束的条件下,采用反步法结合抗饱和辅助函数解决控制输入受限问题,并引入动态尺度广义逆实现了欠驱动电动力绳系统展开稳定控制问题;然后,应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性;最后,在MATLAB/SIMULINK平台上进行了仿真验证。结果表明：通过调节系绳张力与电流,可以将系绳释放到指定位置,同时控制输入满足约束条件。     

基于傅里叶展开的电动力绳系卫星最优控制

电动力绳系卫星的推力幅值较小且方向固定,完成轨道机动任务的周期长,其最优控制问题的求解比较困难.采用在傅里叶空间描述的轨道动力学模型,将控制量电流表示为傅里叶级数的形式,并推导了用傅里叶系数作为参量的椭圆轨道运动的平均轨道根数方程.在此基础上构造了电动力绳系卫星轨道机动的最优控制模型,通过直接配置法将其转化为非线性规划...     

面内轨道转移过程中的绳系系统摆振特性研究

轨道转移过程中的绳系系统处于非开普勒轨道,导致系统呈现复杂的动力学行为并影响着星体的飞行安全,因此研究系统摆振特性具有重要的理论和实际意义。针对复杂的非线性和强耦合问题,利用动量矩定理建立绳系系统姿态动力学方程,以切向常值加速度轨道转移为任务背景,给出了系统质心运动轨迹;通过分析面内摆角的静态分岔现象,推导了面内、面外摆角的一阶摆动解析解;引入经典的珠点模型,研究系绳纵向和横向的振动特性,并分析了系绳摆动与系绳振动之间的耦合关系。仿真结果表明:面内轨道转移过程中,面内、面外摆角以固定的频率绕平衡位置做往返摆动,摆动频率大小以及平衡位置的变化均与系绳长度、推力加速度和所处轨道密切相关,面内摆角摆动频率接近轨道角频率时会引起共振现象,系绳在轨道转移过程中会出现大幅度横向振动等现象。     

空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

 为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。     

直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制

 针对存在参数不确定性以及外部有界干扰的直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。该方法首先针对单体绳系卫星姿态模型,在不考虑参数不确定性和干扰的条件下,应用Hamilton-Jacobi-Bellman方程设计了最优控制器;接着,考虑到实际系统存在参数不确定性和干扰,采用自适应与鲁棒误差积分方法在线学习参数不确定性和有界干扰,与最优控制器结合设计了鲁棒最优控制器,使闭环系统满足了性能指标达到最小的要求,并应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的渐近稳定性。进一步考虑到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直连式三体绳系卫星姿态系统,设计了分布式鲁棒最优控制器。最后在MATLAB/Simulink平台上进行了仿真,验证了方法的可行性与有效性,表明其具有潜在的应用前景。     

应用非线性模型预测控制的绳系卫星Halo轨道保持控制

针对哑铃型绳系卫星在圆形限制性三体问题(CRTBP)中的Halo轨道保持控制问题,应用非线性模型预测控制(NMPC)方法设计了Halo轨道保持控制器。首先采用摄动法得到目标Halo轨道,通过跟踪目标轨道上一运动点,将其转化为目标跟踪控制问题,然后设计非线性模型预测控制器对其进行跟踪控制。利用4阶Ronge-Kutta法对原非线性模型进行离散化,将预测控制中的有限时域最优问题转化为非线性规划问题进行求解,得到下一周期的控制量。最后通过数值仿真验证了即使在初始位置偏差较大的情况下,所设计的控制器只需要很少的速度增量就可使绳系卫星系统运动至目标轨道,并精确地保持在目标轨道上。     

连续地月转移系统动力学研究与能量分析

为了研究新型连续地月转移系统的动力学及能量需求,采用Lagrange方法,在系绳为刚性杆假设的前提下,同时忽略第三体引力、地球扁率和系绳轴向变形等扰动因素的影响,建立了驱动型动量交换绳系卫星(MMET)系统的三维刚性动力学模型。对所建立的动力学模型进行了数值仿真及对比分析,仿真结果验证了所建模型的正确性。研究表明,外力矩对系统轨道运动参数影响甚小,对姿态运动参数影响明显。采用MMET方式进行载荷转移,推导出了实现载荷地月轨道转移所需的入口速度条件以及时间周期条件,并求解出了载荷在2次任务之间的时间间隔。给定初始条件下,当MMET系统以0.231 6 rad/s的旋转角速度绕其质心旋转1 448.5圈,其绕地心刚好运行5圈时,载荷可顺利进入地月转移轨道。最后,对连续地月转移系统实现载荷的地月转移进行了能量对比分析,结果表明,相同条件下,MMET载荷转移方式相比于传统脉冲变轨方式在载荷转移过程中消耗更少的能量。     

一种基于轨道根数约束的最优制导方法

针对航天器空间变轨的制导问题,研究了一种基于轨道根数约束的最优制导方法。在地心惯性坐标系下直接建立航天器的最优控制模型,给出了位置速度表达式和协态变量初值之间的关系;进一步,在不约束真近点角的前提下,推导了5个轨道根数的约束方程,并通过对轨道根数和最优控制理论中协态方程的特性分析,获得了另外两个约束方程。协态变量初值可直接通过求解7个完整约束方程组获得,进而得到最优推力方向。仿真验证了所提制导方法的有效性。     

基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制

讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨,用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线性规划问题,然后用MATLAB的SNOPT软件包求解;针对初始偏差较大的实际情况,又结合直接配点法和滚动时域控制得到了解析的反馈控制律。仿真算例表明,得到的TSS变轨过程状态变化平滑,控制消耗较小,而且变轨之后TSS接近平衡状态;此外,反馈控制律对最优路径的跟踪效果较好,能够消除初始偏差的影响。     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

Fuel-optimal deorbit scheme of space debris using tethered space-tug based on pseudospectral method

This paper proposes a fuel-optimal deorbit scheme for space debris deorbit using tethered space tug. The scheme contains three stages named respectively as dragging, maintenance and swinging. In the first stage, the tug, propelled by continuous thrust, tows deorbit to a transfer orbit with a tether. Then in the second stage, the combination of the tug and the debris flies unpowered and uncontrolled to a swing point on the transfer orbit. Finally, in the third stage, the tug is propelled at the swing point and the rotation speed of the tethered system increases such that the debris obtains enough velocity increment. The trajectory optimization of the first stage is established considering the total fuel consumption of the three stages, whereas the dynamic model is simplified for computation efficiency. The solution to the optimal problem is obtained using a direct method based on Gauss pesudospectral discretization. Then a model predictive controller is designed to track the open-loop optimal reference trajectories, reducing the states’ deviations caused by model simplification and ignorance of perturbations. Furthermore, it is proved that the fuel-optimal swing point is the apogee of the transfer orbit. The paper analyzes the fuel consumption of a typical scenario and demonstrates effectiveness of the proposed deorbit scheme numerically.     

Nonlinear dynamics and station-keeping control of a rotating tethered satellite system in halo orbits

The dynamics of a rotating tethered satellite system （TSS） in the vicinity of libration points are highly nonlinear and inherently unstable. In order to fulfill the station-keep control of the rotating TSS along halo orbits, a nonlinear output tracking control scheme based on the θ- D technique is proposed. Compared with the popular time-variant linear quadratic regulator （LQR） controller, this approach overcomes some limitations such as on-line computations of the algebraic Riccati equation. Besides, the obtained nonlinear suboptimal controller is in a closed form and easy to implement. Numerical simulations show that the TTS trajectories track the periodic reference orbit with low energy consumption in the presence of both tether and initial injection errors. The axis of rotation can keep pointing to an inertial specific object to fulfill an observation mission. In addition, the thrusts required by the controller are in an acceptable range and can be implemented through some low-thrust propulsion devices.     

电动力绳系周期解求解及稳定性控制

电动力绳系姿态摆动动力学方程具有非线性特点,且姿态摆动状态直接影响着空间任务能否正常进行。首先,基于哑铃模型及偶极子地磁场模型假设,推导了在倾斜圆轨道上运行的电动力绳系姿态动力学方程。其次,给出了利用摄动法和不动点迭代法相互配合的数值方法求解该非线性方程周期解的过程及解的稳定性判断准则,并针对不稳定周期解提出了相应的稳定性控制策略。最后,通过数值仿真分析,得到了姿态摆动运动的周期解图像,验证了周期解求解算法的有效性,并对不稳定周期解实现了稳定性控制。     

Line-of-sight-pointing for satellites in high altitude inclined elliptic orbits

With a growing demand for space communications and resulting overcrowding of geostationary orbit (GEO), the importance of high altitude inclined elliptic orbits is gaining impetus. However, the satellites in these orbits suffer from a severe problem of apparent periodic angular drift around their line-of-sight. This paper addresses this problem and proposes a cost effective method based on tether to continually tilt the satellites in order to compensate for longitudinal and lateral drifts relative to the ground station. The proposed system comprises two satellites connected by a flexible tether at a point on each satellite with offsets. A control strategy is developed for tether offset variations that ensures judiciously controlled changes in the satellite orientations. The numerical simulation of the governing nonlinear equations of motion establishes the feasibility of the concept. A high degree of line-of-sight pointing of dual satellites as well as the simplicity of the proposed control mechanism makes the concept particularly attractive for future space applications.     

基于伪谱方法的有限推力变轨策略研究

研究了有限推力条件下的空间飞行器大范围机动变轨问题。将有限推力解的求取过程分为两个步骤,首先采用Lambert方法求取变轨问题的双脉冲最优解,再采用Gauss伪谱方法求取有限推力解,将每个脉冲点扩展为一个推力弧段,通过伪谱方法将最优变轨问题转化为一个参数优化问题,采用非线性规划方法得到该推力弧段的变轨推力大小和方向。将该方法应用于某空间飞行器轨道机动变轨过程研究,取得了满意的结果,从而证明了方法的有效性。     

Observer-based control for the platform of a tethered space robot

This paper addresses the attitude control problem of a space tethered robot platform in the presence of unknown external disturbance caused by a connecting elastic tether. The tether-generated unknown disturbance leads to tremendous challenges for attitude control of the platform. In this work, the perturbed attitude dynamics of the platform are derived with a consideration of the libration of the elastic tether, and then with the purpose of compensating the unknown disturbance, major attention is dedicated to develop a nonlinear disturbance observer based on gyros measurements, after which, an adaptive attitude scheme is proposed by combining the disturbance observer with a sliding mode controller. Finally, benefits from the observer based on an adaptive controller are validated by series of numerical simulations.