The invention provides a lateral angular velocity suppression and spin direction control method for space debris. The steps are as follows: 1. deriving the dynamic equation; 2. designing the controller; 3. analyzing the stability of the controller; 4. numerical simulation verification; through the above steps, combining the attitude dynamic equation derived in step one with the tension switching controller designed in step two, the method can be obtained. The control method of restraining the lateral angular velocity of the target satellite is proposed, which combines the dynamic equation of the tethered vibration deduced in step two with the PD controller designed in step three. The switching controller designed in this method can restrain the lateral angular velocity of the target satellite through the switching control of two constant tensions, and the tethered oscillation can be controlled by using a simple PD control law. The feasibility and correctness of the control system are verified by numerical simulation. The control method of the invention can suppress the lateral angular velocity of the target star while effectively suppressing the swing of the tether.
【技术实现步骤摘要】
一种空间碎片横向角速度抑制和自旋方向控制方法
本专利技术提供一种空间碎片横向角速度抑制和自旋方向控制方法，它是一种使用空间绳网系统的空间碎片横向角速度抑制和自旋方向控制方法，它涉及一种使用空间绳网系统捕获空间碎片后的横向角速度抑制与自旋方向控制的方法，它通过两个常值系绳张力的切换控制来实现对捕获的空间碎片横向角速度的消除和自旋方向的控制。属于航天工程中绳系卫星
技术介绍
随着人造空间飞行器数量的增长，有限的轨道资源被占用。在一个卫星完成了它任务，或者燃料耗尽、出现故障之后，它就失去作用成了太空垃圾。如果不采取相应的措施，这些废弃卫星在一个非常长的时间内不会坠入大气层从而导致太空环境越来越恶劣。捕获碎片一种常用的方法是使用柔性网将其包裹起来，形成空间绳网系统(即TSN系统)。TSN系统主要有两个问题亟待解决，一个是对系绳的摆振控制，另一个是对捕获的空间碎片姿态控制。该项技术创新点和难点在于绳网捕获后的废弃卫星没有可以输出力矩的执行机构，只能通过系绳的张力来控制卫星的姿态。由于系绳和绳网的连接点的横向运动与废弃卫星的横向角速率是相关联的，本专利技术通过对绳结点的作用来对卫星横向角速率进行抑制。本文提出的方法优点在于不需要获知被捕空间碎片的惯量信息和姿态信息。此外，该方法的另一个优势是采用了切换控制的方式，控制系统只需要在两个张力间进行切换并且切换简单易实现。该控制方式的稳定性证明基于对刚体的姿态动力学分析与Barbalat引理(该‘Barbalat引理’是指设x：[0，∞)→R为一阶连续可导，且当t→∞时有极限，则如果t∈[0,∞)一致连续，...
【技术保护点】
1.一种空间碎片横向角速度抑制和自旋方向控制方法，前提假设如下所述；该TSN系统包括带有推进装置的主动星、绳网捕获的废弃卫星和相对较长的系绳在内的整体，主动星和目标星位于系绳两端；为了描述系绳的摆振做出如下假设：(1)位于系绳两端的主动星和目标星视为质点；(2)主动星和目标星的姿态运动对系绳的摆振影响很小，在分析系绳摆振运动时能忽略；(3)绳网捕获目标后视为刚性的；其特征在于：具体实施步骤如下：步骤一、推导动力学方程首先推导了系绳摆振的动力学方程，建模采用空间绳网系统的轨道坐标系与本体坐标系；该轨道坐标系oxoyozo中zo轴的方向是从地球中心指向空间绳网系统的质心，yo轴垂直于轨道平面；轨道坐标系采用y‑z旋转顺序进行旋转后与系统的本体坐标系oxbybzb重合，其中得到的两个夹角α和β分别为轨道平面内的摆角和垂直于轨道平面的面外摆角；然后使用拉格朗日方程能推导出系绳摆振运动的动力学方程，方程如下：
【技术特征摘要】
1.一种空间碎片横向角速度抑制和自旋方向控制方法，前提假设如下所述；该TSN系统包括带有推进装置的主动星、绳网捕获的废弃卫星和相对较长的系绳在内的整体，主动星和目标星位于系绳两端；为了描述系绳的摆振做出如下假设：(1)位于系绳两端的主动星和目标星视为质点；(2)主动星和目标星的姿态运动对系绳的摆振影响很小，在分析系绳摆振运动时能忽略；(3)绳网捕获目标后视为刚性的；其特征在于：具体实施步骤如下：步骤一、推导动力学方程首先推导了系绳摆振的动力学方程，建模采用空间绳网系统的轨道坐标系与本体坐标系；该轨道坐标系oxoyozo中zo轴的方向是从地球中心指向空间绳网系统的质心，yo轴垂直于轨道平面；轨道坐标系采用y-z旋转顺序进行旋转后与系统的本体坐标系oxbybzb重合，其中得到的两个夹角α和β分别为轨道平面内的摆角和垂直于轨道平面的面外摆角；然后使用拉格朗日方程能推导出系绳摆振运动的动力学方程，方程如下：其中，ωo为空间绳网系统的轨道角速度，μ为地心引力常数，R地球中心到空间绳网系统质心的距离，T为系绳张力，L为系绳长度；主动星质量为m1，目标星质量为m2，系绳的质量为mt，整个系统的质量为m＝m1+m2+mt；为了使方程简化，引入两个参数分别为在方程(1)的右边的QL，Qα，Qβ是主动星的相应的广义推力；能够推导出它们的表达式如下：在公式(2)中Pbx，Pby，Pbz为推力矢量在系绳空间网系统的本体系上的三个分量；为了得到目标星的姿态动力学方程，建立目标星本体坐标系，xb2，yb2，zb2沿着目标星的惯性主轴，相应的转动惯量分别为A，B，C；目标星沿xb2对称，网与系绳的结点在xb2轴上；三个欧拉角ψ，θ，是通过轨道坐标系经过的z-y-x旋转顺序到目标星的本体坐标系来定义的；用欧拉角描述刚体姿态动力学方程如下：式中：A，B，C分别为目标星三个惯性主轴xb2，yb2，zb2的转动惯量，ωb2x，ωb2y，ωb2z为目标星相对轨道坐标系角速度沿着目标星本体系三个轴的分量，Mb2x，Mb2y，Mb2z为系绳张力产生的力矩沿着目标星本体系三个轴的分量；步骤二、设计控制器为了描述目标星的姿态运动，设定了另一个参考系，它的原点和目标星的质心重合，它的xs，ys，zs的方向与TSN系统本体坐标系的xb，yb，zb轴的方向一致；为了描述该参考系osxsyszs到目标星本体坐标系的相应的姿态，采用x-y-x旋转顺序，相应的欧拉角分别为ψ′，θ′，在参考系osxsyszs中，系绳的张力始终与xs轴对齐；如果系绳的张力恒定，那么系绳张力与保守力的作用相同，在参考系中系统张力产生的势能能与目标星的转动动能相互转化，并且势能与转动动能的能量总和是恒定的；能得到如下关系：其中δ是目标星质心到绳结点之间的距离，C是一个常数；基于上面的分析，设计如下控制律：其中和T是两个不同的常值张力，并且满足为了对系绳的摆振进行控制设计了一个简单的PD控制器，根据系绳摆振动力学方程，能设计广义推力QL，Qα，Qβ的表达式如下：其中KDL＞0，KPL＞0，KDα＞0，KPα＞0，KDβ＞0，KPβ＞0是PD控制器的可调系数；步骤三、分析控制器的稳定性如等式(4)中所示，对于一个常值张力T，总能量E也是常值，因此能得如下等式当张力做负功，转动动能转化为张力的势能；因此当时，施加更大的张力以便这额外的张力消耗总能量E；因此能得以下方程：因此使用所设计的控制律，总能量的导数总是半负定的；从总能量的物理意义能得出总能量是非负的，即存在下界；根据Barbalat引理，能够得出同样，公式(9)对应的是公式(5)中的小张力的情况，即又因为所以θ′的下界为0；再一次运用Barbalat引理能够得到以下方程由上述方程能看出θ′将会趋近于一个常值；从参考系到目标星本体系的转移矩阵为在等式(11)中S代表sin，C代表cos；目标星的角速度在目标星本体系上的分...
【专利技术属性】
技术研发人员：饶海平，钟睿，孙鑫，贾英宏，金磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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