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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Optimal control of a spinning double-pyramid Earth-pointing tethered formation

The dynamics and control of a tethered satellite formation for Earth-pointing observation missions is considered. For most practical applications in Earth orbit, a tether formation must be spinning in order to maintain tension in the tethers. It is possible to obtain periodic spinning solutions for a triangular formation whose initial conditions are close to the orbit normal. However, these solutions contain significant deviations of the satellites on a sphere relative to the desired Earth-pointing configuration. To maintain a plane of satellites spinning normal to the orbit plane, it is necessary to utilize “anchors”. Such a configuration resembles a double-pyramid. In this paper, control of a double-pyramid tethered formation is studied. The equations of motion are derived in a floating orbital coordinate system for the general case of an elliptic reference orbit. The motion of the satellites is derived assuming inelastic tethers that can vary in length in a controlled manner. Cartesian coordinates in a rotating reference frame attached to the desired spin frame provide a simple means of expressing the equations of motion, together with a set of constraint equations for the tether tensions. Periodic optimal control theory is applied to the system to determine sets of controlled periodic trajectories by varying the lengths of all interconnecting tethers (nine in total), as well as retrieval and simple reconfiguration trajectories. A modal analysis of the system is also performed using a lumped mass representation of the tethers.     

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。     

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.     

Attractive manifold-based adaptive solar attitude control of satellites in elliptic orbits

The paper presents a novel noncertainty-equivalent adaptive (NCEA) control system for the pitch attitude control of satellites in elliptic orbits using solar radiation pressure (SRP). The satellite is equipped with two identical solar flaps to produce control moments. The adaptive law is based on the attractive manifold design using filtered signals for synthesis, which is a modification of the immersion and invariance (I&I) method. The control system has a modular controller–estimator structure and has separate tunable gains. A special feature of this NCEA law is that the trajectories of the satellite converge to a manifold in an extended state space, and the adaptive law recovers the performance of a deterministic controller. This recovery of performance cannot be obtained with certainty-equivalent adaptive (CEA) laws. Simulation results are presented which show that the NCEA law accomplishes precise attitude control of the satellite in an elliptic orbit, despite large parameter uncertainties.     

利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究

研究了利用库仑力控制实现近距离悬停轨道的问题。针对常规推力器对悬停任务可能产生的羽流污染,提出了一种使用航天器间库仑力实现悬停轨道的新方法,并研究了使用该方法实现悬停轨道的开环与闭环控制问题。基于所建立的库仑力悬停轨道动力学模型,给出了目标为一般椭圆轨道时的开环控制律。基于线性化的悬停轨道动力学模型,给出了目标轨道为圆轨道时的闭环控制律,并进行了数值仿真,结果表明所建立的动力学模型及所设计的控制律是有效的和可行的。文章提出的方法也可以用于其他类型的航天器近距离相对运动控制问题。     

基于机器学习的卫星姿态控制律设计

传统的优化算法只能针对给定控制律的指定参数进行优化.机器学习的方法,不仅进化参数,而且可以按给定准则进化出卫星姿态控制律表达式.建立卫星姿态动力学模型及敏感器和执行机构的原理与误差模型,构成含噪声的单自由度的闭环数字仿真系统.统计一段时间内仿真结果的姿态精度和稳定度作为该控制律的适应度函数.针对姿态控制律选定合适的函数...     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

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.     

柔索驱动式航天员虚拟微重力训练系统控制与实验

针对现有的航天员地面微重力训练设备存在成本高、单次训练时间短、模拟精度低等问题,提出了一种柔索驱动的航天员虚拟微重力训练系统。通过采样航天员对作业对象的操作力,控制柔索驱动虚拟物体(末端执行器)运动,使虚拟物体符合在微重力环境中的运动规律。建立了柔索驱动训练系统的动力学模型,分析了系统的特性。针对传统力伺服系统多余力对控制力精度影响较大且难以克服的问题,提出了一种使用弹簧产生柔索张力的并联柔索全位置型控制方法,并引入力/速局部反馈的控制策略。实验结果表明,系统克服多余力效果明显,可以获得较高的驱动力控制精度;虚拟质量在操作力作用下的运动符合在微重力环境中的运动规律,且有较高的模拟精度;系统稳定性良好,可以实现微重力环境中移动不同质量物体的虚拟作业训练。     

系绳卫星体制高精度INSAR系统设计

针对现有分布式干涉系统难以实现更高比例尺高效率地形测绘的问题,提出了一种基于系绳卫星体制的InSAR系统。首先,结合系绳卫星动力学仿真,给出了系绳干涉系统的几何模型,提出了系绳干涉系统的工作模式,然后研究了系绳卫星SAR载荷的具体工程实现途径,提出了基于系绳电缆解决实现同步和相位同步的方法。首次建立了系绳长度及面内角等参数与模糊高度的关系,对SAR载荷的工作频段、发射峰值功率、天线口径、入射角范围等进行了优化设计。对系绳InSAR系统的关键性能指标进行仿真分析,仿真结果表明该系统可以实现0.5m测高精度等核心指标。该研究提出了一种1:5000比例尺的高精度测绘SAR系统,相对测高精度比德国的Tandem-X系统提升了4倍,可为我国后续开展高精度星载InSAR工程研制提供参考。     

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.