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Galerkin法的柔性绳系辅助返回系统的展开动力学建模与分析

以大型空间绳系辅助返回系统为背景,利用微元法和拉格朗日方程建立有分布质量的柔性绳系辅助返回系统的展开动力学模型.针对模型复杂的非线性和强耦合问题,采用Galerkin法进行离散化处理以求解;引入经典的珠子模型,以验证Galerkin法解的准确性;最后通过数学仿真来验证和分析Galerkin法解的正确性和收敛性,并对绳系...     

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...     

欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制

针对存在外部有界干扰和控制饱和的欠驱动直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式非线性控制方法。首先考虑单体欠驱动绳系卫星姿态模型,由于其复杂的非完整动力学特性,应用微分同胚映射的方法先将模型进行转换,进一步基于反步法设计了欠驱动姿态跟踪滑模控制器,并结合抗饱和方法解决了控制受限的问题。然后应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。进一步考虑绳系卫星系统的运动同步性,将欠驱动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,设计了分布式欠驱动非线性控制器。最后进行了数学仿真,验证了本文所设计控制方法的有效性。     

系留气球时域响应分析

为研究系留气球稳定性,建立了系留气球的三维非线性动力学模型.缆绳采用有限差分法,球体采用经典的六自由度方程,其中气动力导数以静导数、动导数和附加质量表示.以主节点运动为边界条件,以静态构型为初始条件,建立完整耦合动力学方程.利用直接求解非线性偏微分方程的方法对该系统进行时域响应分析,考察了风速对纵向和横侧向稳定性的影响,并给出相应的响应曲线.直接求解非线性耦合方程的成功,表明该数学模型及其解法是可行的.      

面向GMTI任务的系绳式InSAR系统展开研究

研究了短绳系式合成孔径雷达干涉技术（InSAR）系统面向地面动目标检测（GMTI）任务时的展开问题。使用系统的三维动力学模型,首先分析系统在平衡位置附近的稳定性,确定系统执行GMTI任务时面临的问题。结合GMTI任务需求确定系统短系绳情况时的展开方式,使用粒子群算法对系统初始分离速度和方向进行优选,使系统在展开结束时恰好摆动到水平方向。在展开完成后对系统施加阻尼控制和喷气控制,使系统长期处于水平方向附近,以获取期望顺轨基线,最后通过数值仿真验证。结果表明：考虑展开机构静摩擦力时,在优选的初始状态下无控展开,系统能够到达目标位置,且在稳定控制下能够长期保持顺轨基线大于99.6 m。     

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。     

电动力绳系卫星轨道机动策略研究

针对电动力绳系卫星轨道机动问题,提出三种电流控制策略实现不同要求的轨道机动。采用常值电流、bang-bang式电流以及傅里叶式电流三种控制策略来实现电动力绳系卫星的轨道机动,并引入小误差修正方法来提高控制精度。结果表明：常值电流和bang-bang式电流分别能够实现轨道倾角和升交点赤经的独立变化;而傅里叶式的时变电流能够实现考虑气动阻力情况下的一般轨道机动。提出的小误差修正方法只需经过一次误差修正就能显著提高轨道机动控制精度。     

系留气球纵向稳定性分析

系留气球是一种应用广泛的空中平台。其运动特性是球体和系留缆绳两者的复合,总体气动布局、系留缆绳参数及风场环境对其稳定性影响非常显著,运动模态不同于一般飞行器。本文通过对球体和系留缆绳的受力特性分析,建立了其纵向运动学方程及其运动学方程的求解方法,分析了在不同风场环境下的运动模态,并数值仿真了在阵风作用下球体和系留缆绳的动态响应特性。     

火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。