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。      

柔性系绳平衡状态临界绳长研究

为了确定柔性系绳系统在平衡状态下的临界绳长,在考虑大气阻力、系绳伸展性、系绳质量等因素的情况下,基于系绳系统轨道运动建立了系绳平衡状态方程.为确定求解系绳平衡方程所需初值条件,分析了载荷受力情况并建立其平衡状态方程,进而分析给出了系绳长度达到临界值的条件以及临界绳长的计算方法.仿真计算了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数这三种情况下系绳的临界绳长,分别拟合得到这三种情况下临界绳长的计算方程,并分析了不同载荷质量、系绳直径和载荷弹道系数对系绳临界绳长的影响.     

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.     

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态,为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响,本文建立了一种简单的平面哑铃模型,将系绳视作有阻尼的弹簧,两个卫星视作刚体,考虑重力梯度力矩。通过仿真,发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

绳系系统轨道机动过程中的面内摆角抑制

摘要： 针对绳系卫星系统轨道机动过程中面内摆角抑制问题进行控制器设计.仅考虑面内摆角子系统下,针对绳系系统的动力学模型,提出了分层迭代非线性滑模控制方法.证明控制方法设计的控制律使系统所有状态渐近稳定.通过数学仿真验证方法的有效性和优势.     

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.      

带偏置点的绳系拖拽离轨系统动力学研究

考虑空间拖船利用飞网/飞爪对空间残骸捕获结束后绳系拖拽系统的动力学特性,开展了基于简化的带偏置点构型的建模及仿真研究.首先,捕获后的组合体包括空间拖船、系绳和空间残骸,系绳在空间残骸一端的牵挂点看作偏置点,给出相应的的绳系拖拽系统构型;其次,以降轨离轨过程为例,建立系统能量方程,并根据欧拉-拉格朗日方程给出系统的动力学表达式并估算系绳张紧情况下的平衡点;最后,设定离轨推力,在不同的初始角速度、系绳张紧或松弛以及不同松弛程度条件下,分析绳系拖拽离轨系统的动力学行为.研究表明,空间残骸小的初始角速度和张紧或略微松弛的系绳能够保证安全离轨.     

基于矩阵分解的空间系绳系统不完全反馈控制

针对利用空间系绳系统（STS）进行面内捕获过程中系绳展开后状态保持阶段及捕获完成后系统面内运动抑制等问题,在面内角和面内角速率信号丢失情况下,基于矩阵分解采用不完全状态反馈控制方法,设计出能够抑制系绳展开完成后所出现的非标称行为、捕获后面内摆动的张力控制律,进而使系统回稳。将所设计的控制律与线性二次调节器（LQR）+降维观测器方法对比,在参数不确定的条件下检验该控制律的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制律在超调量和调节时间上优于LQR+降维观测器方法,能够有效控制系绳的展开误差及捕获过程所带来的面内扰动。所设计的控制律结构简单,控制效果良好,且设计过程无需参数调整。      

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.     

Practical guidelines for electro-dynamic tethers to survive from orbital debris impacts

Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) has proposed an active debris removal using electro-dynamic tether to reduce large space debris in the low-Earth orbit. However, a tether strand is thin but long enough to have a large area so that it is vulnerable to small particles. This vulnerability might be the weakest point of a tether system against orbital debris. In order to overcome this weakest point, a double tether system, in which two tether strands are tied together at even intervals to form equally spaced loops, has been suggested as one of the promising candidates. This paper provides a mathematical approach to estimate the survival probability of a double tether system and then apply the approach to evaluate the mission success rate of the active debris removal using electro-dynamic tether that JAXA has proposed. It can be concluded the countermeasure to get enough success rate can be obtained. The result is simulated for Advanced Earth Observing Satellite II (ADEOS-II) re-entry from 800 km sun synchronized orbit to atmosphere. The simulation shows that mission success rate over 90% can be obtained with number of loops over 1000 and 10 mm clearance between two strands.     

可变绳长绳系卫星系统的一种简单张力控制策略

为了简化绳系卫星系统(TSS)的控制,对已有的设计方法进行了改进,提出了一种新的控制律设计方法。根据TSS的动力学方程构造线性自治系统,对释放、滞留和回收过程做统一处理,由线性自治系统的稳定理论导出线性反馈控制律,并对控制参数的取值进行了讨论;然后针对回收过程,通过设计平衡点参数得到了一种分段回收控制方案。仿真算例表明,文中采用的设计方法对于圆轨道和近圆轨道TSS的释放、滞留和回收过程都有较好的适应性。     

基于模糊应力—强度模型的空间系绳碰撞可靠性

空间系绳系统由于其特殊的组成结构日益受到关注,空间系绳的碰撞可靠性研究是系绳任务设计的重要一环.本文采用可靠性分析基本原理中的应力—强度模型,根据近地轨道的空间碎片通量和泊松分布方法,进行空间系绳在轨碰撞可靠性的研究分析.根据对空间系绳碰撞可靠性有影响的系绳结构因素,即单股系绳的直径、长度,双股系绳的绳间距、碰撞角等,对空间碎片撞击切割系绳后碰撞点处的系绳剩余截面进行建模,利用模糊应力—强度模型计算空间系绳在撞击后发生毁灭性碰撞的概率,进而根据泊松方法计算空间系绳在轨可靠性随时间的变化,通过仿真分析,对比不同结构空间系绳的有效在轨时间.     

系绳辅助的行星际轨道捕获研究

针对深空探测中应用动量交换系绳辅助进行行星际轨道捕获时的系绳控制问题,首先对运行在目标行星双曲线飞越轨道上的探测器系统进行动力学建模,给出了一致性轨道捕获条件和系绳最佳切断点,并进行了动力学特性分析。考虑到子探测器捕获后的变轨需求及系绳收放速率的限制,提出了新的最优控制方法,并应用模拟退火算法进行了数值求解。仿真结果表明,系绳切断时指向恰当,子探测器距离目标行星最近,将有利于后续变轨;系绳最大收放速率约为30m/s,切实可行。     

基于Lyapunov最优反馈控制的月球中继卫星转移轨道设计

摘要： 随着电推进器及小推力转移变轨的研究逐渐深入,在深空探测领域应用电推力器是必然的发展趋势.文章基于以月球中继卫星的运行轨道地月L2点Halo轨道为目标轨道的轨道转移任务,采用Lyapunov最优反馈控制方法,计算单一轨道根数的局部最优控制率,通过遗传算法调整五个轨道根数的权重,得到时间最优的月球中继卫星小推力轨道转移方案,具有工程应用意义.     

基于退步控制方法的绳系卫星回收张力控制

利用退步控制方法研究了绳系卫星系统TSS(Tethered Satellite System)的平面内回收控制问题,提出了一种新的张力控制律.该控制律设计由两步组成:首先利用退步控制将摆角稳定到目标值,然后通过设计摆角的目标值实现系绳的回收和回收速度的控制.控制率设计了分段连续的目标角度方案和延时环节,可以使TSS回收过程各状态量变化平滑.数值仿真结果表明,该控制律在圆轨道、近圆轨道和大偏心率的椭圆轨道都有很好的控制效果.