一种拖曳变轨中利用系绳与连杆的目标星姿态稳定方法技术

本发明专利技术涉及一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，采用系绳张力与连杆摆动协调控制技术来稳定非合作目标姿态。首先，设计连杆摆动角速率控制律可消除目标体在垂直于系绳方向的角速度，避免了缠绕的发生。与系绳连接点的平面移动控制策略相比，连杆摆动具有更大的操作空间，因此能提供更大的控制力矩。与连杆摆角的PD控制律相比，考虑了张力扰动和摆角约束的滑模角速率控制器具有更强的鲁棒性和更好的实用性。其次，设计系绳收放控制律可将张力稳定在恒定的期望值附近。与单纯通过张力控制使目标体稳定相比，控制张力跟踪恒定值在实际工程中较易实现，且具有较高的稳定性。此外，该张力控制也能保持两端航天器的间距，避免了碰撞的发生。

Using a target satellite attitude stabilization method of connecting rod / tether towed orbit

The invention relates to a method of connecting rod / tether target satellite attitude stabilization method of towed orbit, the tether tension and connecting rod coordinate control technology to stabilize the non cooperative target attitude. Firstly, the angular velocity control law of the connecting rod can be designed to eliminate the angular velocity of the target body in the direction perpendicular to the tether, thus avoiding the occurrence of winding. Compared with the planar motion control strategy of the connecting point of linkage, the swing of linkage has more operating space, so it can provide more control torque. Compared with the PD control law of the swing angle of the connecting rod, the sliding mode angular rate controller considering the tension disturbance and the swing angle constraint has stronger robustness and better practicability. Secondly, the design of the tether retraction control law can stabilize the tension near the desired value. Compared with the stability control of the target simply by tension control, the constant value of the control tension tracking is easier to implement in practical engineering and has higher stability. In addition, the tension control can keep the space between the ends of the spacecraft and avoid the occurrence of collision.

【技术实现步骤摘要】
一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法
本专利技术属于绳系航天器机动变轨研究，涉及一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法。
技术介绍
使用空间绳系机器人的轨道垃圾拖曳移除，因其高灵活性和高安全性而备受瞩目。在实施拖曳移除前，空间平台将释放绳系智能飞爪对失控非合作目标进行抓捕。由于非合作目标处于失稳状态且有残余角速度，抓捕后的系绳张力相对于目标体的方位取决于当时的目标体姿态。此外，抓捕位置也很可能不在目标体的惯量主轴上。这意味着在随后的拖曳中，偏置的系绳张力会对目标体姿态产生较大的干扰力矩，进一步加剧目标体的不稳定，甚至引发目标体与系绳的缠绕。一旦发生缠绕，系绳张力将激增，并将两端航天器拉向彼此增加碰撞的风险。因此，如何高效地稳定非合作目标的姿态是拖曳移除的关键技术之一。对于此，国内学者已在拖曳移除非合作目标姿态稳定方面提出了诸多策略，例如：在《中国科学》上发表的《带刚性臂的空间绳系机构偏置控制》，采用固连于末端机构上的刚性臂来形成控制的偏置，用以对空间绳系机构进行位姿耦合的最优控制。在《北京航空航天大学学报》上发表的《空间绳系拖拽系统摆动特性和平稳控制》，采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制，用以消除目标体摆动并保持星间相对距离。同样地，国外学者也在此领域做了大量的研究。例如，《AttitudeControlofATetheredSpaceRobotbyLinkMotionUnderMicrogravity》和《OffsetControloftetheredSatelliteSystems:AnalysisandExperimentalVerification》提出了采用PD控制律的连杆摆动策略来稳定目标体姿态。《Self-StabilizingAttitudeControlforSpinningTetheredFormations》采用了系绳连接点的旋转阻尼器来吸收目标体的转动动能，从而达到稳定姿态的效果。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，不消耗智能飞爪的推力燃料，且无需复杂的张力控制技术，此外也不影响平台轨道的设计，因此具有较高的实用性。技术方案一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立考虑两端姿态与系绳特性的组合体变轨动力学模型：A.利用高斯摄动方程建立平台质心轨道模型：其中Ξ＝[a,e,i,Ω,ω,f]T为空间平台质心的轨道元素。其中a为空间平台质心轨道半长轴，e为平台质心轨道离心率，i为平台轨道倾角，Ω为平台轨道升交点赤经，ω为平台轨道近地点幅角，f为平台轨道真近点角。p＝a(1-e2)，μ为万有引力常量，轨道半径d＝[dr,dθ,dh]T为在轨道系下作用于平台的非保守合外力产生的加速度；所述其中，平台变轨推力为本体系到轨道系的转化矩阵。平台质量为平台初始质量；系绳张力为张力方向矢量，为系绳释放点n0与第一个珠子n1间的距离；所述张力为：EA为系绳刚度，ct为系绳阻尼系数，l0为两个珠子间的系绳自然长度；B.系绳珠子和目标体相对位置模型：第i个珠子在轨道系下相对于平台质心的位置矢量为则模型为：其中，i＝1...N-1,N+1，且当i＝N+1时，模型为目标体相对于平台质心的位置动力学模型；θ＝f+ω为轨道极角，作用于第i个珠子的合外力所产生的加速度为mi＝ρl0为珠子质量；为第i个珠子所受相邻两个珠子对其张力的合力；所述：目标体所受外力加速度为为系绳连接点N的位置矢量，为目标本体系到系绳坐标系的转化矩阵，为系绳坐标系到轨道系的转化矩阵。为系绳连接点在目标本体系下的方位矢量；C.两端航天器姿态模型：其中，下标p表示平台，下标d表示目标体；σp,d为姿态修正罗德里格斯参数；Ωp为平台相对于轨道系的姿态角速度，Ωd为目标体相对于系绳坐标系的姿态角速度；ωd＝ωod+ωt+Ωd为目标体绝对角速度，为在目标体系下的轨道角速度；所述为矢量叉乘运算的反对称矩阵：ωp＝ωop+Ωp为平台绝对角速度，ωop为在平台体系下的平台轨道角速度；所述所述其中：所述所述η和γ分别为最后一段系绳的轨道面内摆角和面外摆角；所述Jp为空间平台惯量主轴对应的惯量对角矩阵，Jd＝RTJmainR为目标体惯量矩阵，Jmain为目标体惯量主轴对应的惯量对角矩阵，R为主轴体系到偏置体系的转化矩阵；所述·+表示Moore-Penrose逆；为连杆关节在目标体系下的坐标，为连杆在目标体系下的方位矢量，lc为连杆长度，α和β为连杆摆角；所述为平台姿态合力矩；为平台姿态控制力矩；所述为目标体姿态力矩；步骤2改写两端航天器姿态模型中的目标体姿态动力学方程：其中，为非线性扰动项；τE和τa分别为：其中：td＝[tdx,tdy,tdz]T＝Rd[0,tdesire,0]T为目标体系下的期望张力矢量；Δtd＝[Δtdx,Δtdy,Δtdz]T＝Rd[0,Δt,0]T为目标体系下由张力控制引起的张力扰动矢量；步骤3、定义滑模面：低阶滑模面：其中，为待定正系数；高阶滑模面：其中，ζ为待定正系数；λ＝[λ1,λ2]T为抗饱和系统状态量，其自适应律满足如下关系：其中，A＝diag(A1,A2)为正系数对角矩阵，g为动力学相关增益矩阵；步骤4、定义不确定扰动函数Γ：其中令Γ满足约束：步骤5：以连杆摆角速率控制律u和张力控制律l0d为控制输入进行姿态控制；所述连杆摆角速率控制律所述张力控制律其中：η为待定正常数，Ψ∈R2为鲁棒控制项，其中，ρ，ku和δ为待定正常数。Ψ∈R2满足如下约束：其中：l0d为每两个珠子间的期望未变形绳长，s为拉氏算子，ΔT＝Tdesire-Td为期望张力与实际目标体所受张力的偏差。有益效果本专利技术提出的一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，采用系绳张力与连杆摆动协调控制技术来稳定非合作目标姿态。首先，设计连杆摆动角速率控制律可消除目标体在垂直于系绳方向的角速度，避免了缠绕的发生。与系绳连接点的平面移动控制策略相比，连杆摆动具有更大的操作空间，因此能提供更大的控制力矩。与连杆摆角的PD控制律相比，考虑了张力扰动和摆角约束的滑模角速率控制器具有更强的鲁棒性和更好的实用性。其次，设计系绳收放控制律可将张力稳定在恒定的期望值附近。与单纯通过张力控制使目标体稳定相比，控制张力跟踪恒定值在实际工程中较易实现，且具有较高的稳定性。此外，该张力控制也能保持两端航天器的间距，避免了碰撞的发生。附图说明图1：组合体拖曳变轨模型图2：控制器框图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术实施例所采用的技术方案包括以下步骤：第一步：建立考虑两端姿态与系绳特性的组合体变轨动力学模型，该模型包含平台轨道模型、系绳珠子和目标体相对位置模型和两端航天器姿态模型。模型如附图1所示，其中为以地球球心为原点的惯性系轴指向春分点；为以平台质心为原点的轨道系，沿轨道半径由地心指向航天器，垂直于且指向平台前进的方向。A.利用高斯摄动方程建立平台质心轨道模型：其中Ξ＝[a,e,i,Ω,ω,f]T为空间平台质心的轨道元素。其中a为空间平台质心轨道半长轴，e为平台质心轨道离心率，i为平台轨道倾角，Ω为平台轨道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立考虑两端姿态与系绳特性的组合体变轨动力学模型：A.利用高斯摄动方程建立平台质心轨道模型：

【技术特征摘要】
1.一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立考虑两端姿态与系绳特性的组合体变轨动力学模型：A.利用高斯摄动方程建立平台质心轨道模型：其中Ξ＝[a,e,i,Ω,ω,f]T为空间平台质心的轨道元素。其中a为空间平台质心轨道半长轴，e为平台质心轨道离心率，i为平台轨道倾角，Ω为平台轨道升交点赤经，ω为平台轨道近地点幅角，f为平台轨道真近点角。p＝a(1-e2)，μ为万有引力常量，轨道半径d＝[dr,dθ,dh]T为在轨道系下作用于平台的非保守合外力产生的加速度；所述其中，平台变轨推力为本体系到轨道系的转化矩阵。平台质量为平台初始质量；系绳张力为张力方向矢量，为系绳释放点n0与第一个珠子n1间的距离；所述张力为：EA为系绳刚度，ct为系绳阻尼系数，l0为两个珠子间的系绳自然长度；B.系绳珠子和目标体相对位置模型：第i个珠子在轨道系下相对于平台质心的位置矢量为则模型为：其中，i＝1...N-1,N+1，且当i＝N+1时，模型为目标体相对于平台质心的位置动力学模型；θ＝f+ω为轨道极角，作用于第i个珠子的合外力所产生的加速度为mi＝ρl0为珠子质量；为第i个珠子所受相邻两个珠子对其张力的合力；所述：目标体所受外力加速度为为系绳连接点N的位置矢量，为目标本体系到系绳坐标系的转化矩阵，为系绳坐标系到轨道系的转化矩阵。为系绳连接点在目标本体系下的方位矢量；C.两端航天器姿态模型：其中，下标p表示平台，下标d表示目标体；σp,d为姿态修正罗德里格斯参数；Ωp为平台相对于轨道系的姿态角速度，Ωd为目标体相对于系绳坐标系的姿态角速度；ωd＝ωod+ωt+Ωd为目标体绝对角速度，为在目标体系下的轨道角速度；所述为矢量叉乘运算的反对称矩阵：

【专利技术属性】
技术研发人员：孟中杰，王秉亨，黄攀峰，刘正雄，张夷斋，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61