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。     

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.      

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。     

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.     

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。     

论绳系卫星系统的运动中心

讨论了稳定状态下绳系系统运动中心及相关的力学与应用问题。绳系系统运动中心与系统质心不重合。确定了运动中心在系绳上的位置,并从运动中心概念出发,导出系绳拉力的表示式,阐述了系绳拉力偏差对摆动频率计算的影响。     

基于粒子群算法的绳系卫星展开与回收控制

绳系卫星的展开与回收是绳系卫星应用的基础问题,但通过改变系绳拉力来实现展开和回收的方法尚未得到充分研究.将系绳拉力作为控制力,并在时间域内离散,然后利用粒子群优化算法在整个可行域中寻找满足优化指标的最优值,从而得到控制力的变化规律.该控制方法可以使绳系卫星系统在最小摆动、最短时间等最优指标意义下,迅速展开到平衡位置,同时也适用于绳系卫星的回收.仿真结果表明：该控制方法同基于控制展开与回收速度的控制方法相比,展开和回收的时间短、侧向摆动小,具有一定优越性.     

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。      

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.      

非合作失效航天器绳系拖曳系统研究

空间碎片的不断增加给人类航天活动的开展和在轨资产的安全造成严重威胁。在已经提出的多种空间碎片主动清除方式中，绳系拖曳（tethered space tug，TST）系统因有较好的应用前景而受到广泛关注。部分失效航天器因星上器件损坏且姿态控制系统异常，始终将姿态维持在某一特定指向，针对此类具有典型的非合作特征的大型空间碎片，开展绳系拖曳动力学与控制研究。将拖船和目标均视作刚体，用牛顿法建立了TST系统的动力学模型；根据目标姿态稳定方式分为自旋稳定和三轴稳定两种情况，开展了绳系拖曳动力学分析与控制设计，并考察了系绳在失效航天器表面连接点位置对系统稳定状态的影响。仿真结果表明，拖船和失效航天器会在系绳连接下表现出抗衡特点，最终系统会稳定在不同的均衡状态附近。此研究为安全清除尚有残余姿态控制能力的失效航天器中相关拖曳动力学与控制问题提供了参考。     

Spin deployment of Hub-Spoke tethered satellite formation with sliding mode tether tension control

This work develops a tension control strategy for deploying an underactuated spin-stable tethered satellite formation in the hub-spoke configuration. First, the Lagrange equation is used to model the spin-deployment dynamics of the tethered satellite formation. The central spacecraft is modeled as a rigid body, and the tethered subsatellites are simplified as lumped masses. Second, a pure tension controller has been proposed to suppress the tether libration motion in the deployment without thrusting at the subsatellites. A nonlinear sliding mode control is introduced in the tension controller for the underactuated system to suppress the periodic gravitational perturbations caused by the spinning hub-spoke tethered satellite formation. The unknown upper bounds of the perturbations are estimated by adaptive control law. The bounded stability of the closed-loop tension controller has been proved by the Lyapunov theory. Finally, numerical simulations validate the effectiveness and robustness of the proposed controller, i.e., tethers are fully deployed stably to the desired hub-spoke configuration.     

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。     

绳系卫星渐近稳定释放与回收策略

文章研究椭圆轨道下绳系卫星的稳定释放与回收控制问题。首先基于Lyapunov稳定性理论,获得椭圆轨道下系绳释放和回收的速率控制律及稳定性条件,然后提出一套能使系绳沿期望俯仰角进行渐近稳定释放和回收控制的方法。指出存在一个轨道区间,可以实现对通常不稳定的回收过程进行稳定回收,进而提出分区间和分段回收策略以优化回收控制效果。最后,通过数值模拟对所提出的控制律、稳定条件及控制策略进行验证。     

圆及椭圆轨道释放绳系子星的方法研究

研究绳系卫星系统质心沿椭圆轨道运动时，子星释放的最佳初始条件，运用变量替代简化动力学控制方程；对圆轨道运动的母星，采用轨道转移方法释放子星，计算弹射变轨参数及过渡轨道终了真近点角。本文取消母星质量远大于子星质量的假设，考虑子星释放过程中绳系卫星系统质心随子星运动的变化，所得结果更具有普遍意义。数值模拟结果表明，所述方法的有效性。     

绳系卫星横向振动的控制方法

研究绳系卫星绳索横向振动问题。首先建立绳索振动方程,由Pontrgasin方法求得抑制绳索横向振动的纵向优化控制力。实现方式为开启母星体内的电机控制绳长使星体产生加速度,星体惯性力导致绳轴向附加张力。