[發明專利]一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法

有效

• 申請號: 201811432334.0
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN110007681B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 翟光;宋國梁;張景瑞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05B13/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法，屬于航天器制導與控制領域。本發明實現方法為：定義不同的參考坐標系來描述繩系編隊系統運動，利用拉格朗日方程來建立自旋穩定繩系編隊系統的動力學模型；在實時域中描述有限時域最優控制問題，然后基于時域映射將其轉化為Mayer形式，對自旋穩定繩系編隊系統的動力學模型給定控制輸入和狀態變量約束，構建自旋穩定繩系編隊系統最優展開模型；利用Legendre?Gauss離散化方法，將繩系編隊系統自旋穩定展開的最終狀態和控制輸入離散在一系列離散點上，通過高斯偽譜法對繩系編隊系統地自旋穩定展開動力學過程進行數值求解，能夠減少需要輸入的參數，提高計算精度。

技術領域

本發明涉及一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法，尤其涉及一種尋找開環最優軌跡，將子星從初始位置引導到最終旋轉狀態方法，屬于航天器制導與控制領域。

背景技術

繩系衛星系統是指由繩系連接兩顆或多顆衛星而組成的航天器系統，繩系衛星在大氣探測、空間環境探測、空間碎片清除等領域有著廣闊的應用前景，可以將其作為人類探索宇宙空間、獲取宇宙中的資源、拓寬人類生存空間的新結構。例如利用系繩將空間探測平臺從主星上釋放到地球大氣層，實現對近地大氣的探測。通過繩系衛星系統在高速運行時繩系切割地磁力線，產生電流并在地磁場作用下提升或降低系統軌道且不消耗燃料。

近年來，利用自旋穩定繩系編隊構建大型柔性空間系統的概念引起了人們極大的關注。自旋穩定的繩系編隊可以通過自旋產生的離心力保持其構型，這樣相比傳統空間系統可以用更少的燃料消耗來控制空間系統。此外通過調節連接繩索的長度，編隊還能夠提供長而可變的基線，從而可以進行高質量的空間觀測。但繩系編隊系統自旋穩定展開過程中存在動力學耦合及約束控制非線性問題。

對于僅考慮拉伸情況的繩系衛星系統選用拉格朗日法建模。如果繩系編隊包括三個或更多個星體，編隊操作會由于實際挑戰變得困難，其中一個挑戰是將編隊從初始狀態展開到最終期望的結構。由于科里奧利加速度和重力梯度，子星受到平面內和平面外的振動，導致繩系松弛甚至相鄰構件之間的碰撞。總的來說，這些挑戰主要來自編隊動力學的復雜性；雖然許多研究人員已經研究了繩系編隊的控制問題，但較少考慮具有中心體的自旋穩定繩系編隊，這使得編隊展開更加復雜。

發明內容

針對繩系編隊系統自旋穩定展開過程中的動力學耦合及約束控制非線性問題，求解具體非線性方程存在需要輸入的參數較多、計算精度差的缺點，本發明公開的一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法要解決的技術問題是：利用Legendre-Gauss離散化方法，將繩系編隊系統自旋穩定展開的最終狀態和控制輸入離散在一系列離散點上，通過高斯偽譜法對繩系編隊系統地自旋穩定展開動力學過程進行數值求解，進而能夠減少需要輸入的參數，提高計算精度。利用所述的數值求解能夠為繩系編隊系統提供高精度控制方案，進而提高繩系編隊系統自旋穩定展開控制精度。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

本發明公開的一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法，定義不同的參考坐標系來描述繩系編隊系統運動，利用拉格朗日方程來建立自旋穩定繩系編隊系統的動力學模型。在實時域中描述有限時域最優控制問題，然后基于時域映射將其轉化為Mayer形式，對自旋穩定繩系編隊系統的動力學模型給定控制輸入和狀態變量約束，構建自旋穩定繩系編隊系統最優展開模型。利用Legendre-Gauss離散化方法，將繩系編隊系統自旋穩定展開的最終狀態和控制輸入離散在一系列離散點上，通過高斯偽譜法對繩系編隊系統地自旋穩定展開動力學過程進行數值求解，進而能夠減少需要輸入的參數，提高計算精度。

本發明公開的一種利用連續推進器實現繩系編隊自旋穩定展開優化方法，包括如下步驟：

步驟一：定義不同的參考坐標系來描述繩系編隊系統運動，利用拉格朗日方程來建立自旋穩定繩系編隊系統的動力學模型；