[發(fā)明專利]一種用于繩系拖曳離軌的系統(tǒng)組合體姿態(tài)協(xié)同控制方法

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• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113391638A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙國偉;孫亮;王凱旋;陽光烈
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種用于繩系拖曳離軌的系統(tǒng)組合體姿態(tài)協(xié)同控制方法，適用于柔性系繩連接的兩體衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行拖曳離軌時的系統(tǒng)組合體姿態(tài)控制。給定離軌推力施加方向之后，也便確定了系統(tǒng)姿態(tài)期望值，在系統(tǒng)姿態(tài)控制下實現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)機動，最終使得兩星連線方向與離軌推力施加方向保持一致；系統(tǒng)姿態(tài)機動的過程中，以系統(tǒng)姿態(tài)作為任務(wù)星期望姿態(tài)，在任務(wù)星姿態(tài)控制下實時調(diào)整任務(wù)星姿態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)姿態(tài)的跟蹤；系統(tǒng)姿態(tài)機動過程中，系繩方向隨時發(fā)生變化，在目標(biāo)星姿態(tài)擺動抑制下消除系統(tǒng)姿態(tài)機動引起的目標(biāo)星姿態(tài)擺動現(xiàn)象，同時保持安全的星間距離。本發(fā)明提供的方法能有效實現(xiàn)繩系組合體姿態(tài)機動與穩(wěn)定，為繩系拖曳離軌任務(wù)的安全穩(wěn)定實施提供保障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于繩系拖曳離軌的系統(tǒng)組合體姿態(tài)協(xié)同控制方法，適用于柔性系繩連接的兩體衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行拖曳離軌時的系統(tǒng)組合體姿態(tài)控制。

背景技術(shù)

繩系拖曳離軌系統(tǒng)由任務(wù)星、目標(biāo)星和連接于二者之間的柔性系繩組成，可用于大尺寸空間碎片的清理，如GEO軌道上的廢棄衛(wèi)星，從而實現(xiàn)軌道資源的重復(fù)利用。繩系拖曳離軌任務(wù)過程中，任務(wù)星通過柔性系繩對目標(biāo)星施加作用力以完成目標(biāo)星拖曳離軌任務(wù)。相較于剛性連接的目標(biāo)星捕獲離軌方式，繩系拖曳離軌具有任務(wù)平臺與目標(biāo)星不直接接觸、安全性高、捕獲操作半徑大等優(yōu)點。

繩系拖曳離軌系統(tǒng)的主要運動形式包括系統(tǒng)軌道與姿態(tài)運動、任務(wù)星軌道與姿態(tài)運動、目標(biāo)星軌道與姿態(tài)運動及系繩運動，由于繩系拖曳離軌系統(tǒng)采用的系繩具有柔軟、易發(fā)生彎曲和大變形的特點，導(dǎo)致對系繩及系統(tǒng)組合體的建模與控制變得復(fù)雜、困難。

繩系拖曳離軌任務(wù)過程中，由于系繩不抗壓，任務(wù)星與目標(biāo)星相互靠近可能導(dǎo)致二者之間發(fā)生碰撞；由目標(biāo)星初始角速度或目標(biāo)星上系繩牽掛點偏置引起的目標(biāo)星姿態(tài)擺動也會影響拖曳離軌過程的穩(wěn)定性；此外，當(dāng)任務(wù)星離軌推力施加方向不經(jīng)過系統(tǒng)質(zhì)心時，會作用于系統(tǒng)一個擾動力矩，導(dǎo)致系統(tǒng)姿態(tài)發(fā)生擺動，影響拖曳離軌任務(wù)過程安全性的同時增加控制燃耗。因此，在施加離軌推力前進(jìn)行系統(tǒng)組合體姿態(tài)機動，使得兩星連線方向與將要施加的離軌推力方向保持一致是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為實現(xiàn)繩系拖曳離軌任務(wù)過程中系統(tǒng)組合體姿態(tài)機動與穩(wěn)定，安全、平穩(wěn)地完成繩系拖曳離軌任務(wù)，提供了一種用于繩系拖曳離軌的系統(tǒng)組合體姿態(tài)協(xié)同控制方法。

一種用于繩系拖曳離軌的系統(tǒng)組合體姿態(tài)協(xié)同控制方法，包括以下幾部分內(nèi)容：

1)系統(tǒng)姿態(tài)控制：離軌推力的施加方向應(yīng)保持與兩星連線方向一致，以避免推力作用于系統(tǒng)一個擾動力矩，導(dǎo)致系統(tǒng)姿態(tài)發(fā)生擺動，因此，在施加離軌推力前需對系統(tǒng)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在確定離軌推力施加方向后，也就確定了系統(tǒng)姿態(tài)期望值設(shè)計相應(yīng)的控制律，得到系統(tǒng)姿態(tài)機動所需軌控推力的控制信號，通過任務(wù)星上軌控發(fā)動機實時調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)對期望值的跟蹤。

2)任務(wù)星姿態(tài)控制：任務(wù)星牽掛矢量與兩星連線的夾角會導(dǎo)致任務(wù)星上存在擾動力矩，引起任務(wù)星姿態(tài)發(fā)生擺動，夾角的大小與系統(tǒng)姿態(tài)及任務(wù)星姿態(tài)有關(guān)。定義適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)星本體系與系統(tǒng)本體系，使得任務(wù)星姿態(tài)與系統(tǒng)姿態(tài)一致時，任務(wù)星牽掛矢量與兩星連線重合，系繩對任務(wù)星的作用力矩為零，此時，消除任務(wù)星牽掛矢量與兩星連線夾角的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蝿?wù)星姿態(tài)對系統(tǒng)姿態(tài)的跟蹤。以系統(tǒng)姿態(tài)作為任務(wù)星期望姿態(tài)，設(shè)計相應(yīng)的控制律，得到任務(wù)星姿態(tài)機動所需姿控力矩的控制信號，通過任務(wù)星上姿控發(fā)動機和動量輪實時調(diào)整任務(wù)星姿態(tài)，實現(xiàn)任務(wù)星姿態(tài)對系統(tǒng)姿態(tài)的跟蹤。

3)目標(biāo)星姿態(tài)擺動抑制：為保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定并減少控制能耗，需要在保證任務(wù)星與目標(biāo)星保持一定安全距離的同時對目標(biāo)星姿態(tài)擺動進(jìn)行抑制。由于目標(biāo)星無自主姿態(tài)調(diào)節(jié)控制能力，要對其進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定控制，只能通過對系繩張力的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。系統(tǒng)姿態(tài)變化過程中系繩方向發(fā)生改變，導(dǎo)致目標(biāo)星上作用力矩發(fā)生變化從而引起目標(biāo)星姿態(tài)擺動，目標(biāo)星牽掛矢量與系繩之間的夾角越大，擾動力矩越大，目標(biāo)星擺動也更加明顯。將目標(biāo)星牽掛矢量與系繩夾角作為控制量并考慮系繩長度，設(shè)計相應(yīng)的控制律，通過在任務(wù)星上配置響應(yīng)靈敏的系繩收放裝置對系繩張力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系繩長度控制及目標(biāo)星姿態(tài)擺動抑制。