一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法技术

本发明专利技术的目的是为了解决失效卫星捕获后系绳回收激发系统振动的问题，提供了一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法。失效卫星在被绳网捕获后，与拖船、系绳构成了绳系拖曳系统。本发明专利技术建立了三维空间下的绳系拖曳系统精细模型，系绳采用一系列由弹簧和阻尼器串联的珠点构成，通过减少珠点数量和改变末端绳段参数来模拟收绳过程中系绳的变化。针对该类柔性航天器系统，提供了一种反馈波动控制方法，通过吸收返回至拖船的波有效抑制系统的摆动。反馈波动控制能够在回收系绳的同时对失效卫星进行拖曳，实现姿轨一体化控制，并在收绳完成后迅速使系统镇定，完成清除任务。

【技术实现步骤摘要】
一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法
本专利技术涉及一种绳系拖曳稳定控制方法，尤其涉及一种失效航天器的绳系拖曳收绳的摆动抑制方法，适用于空间碎片清除过程，属于航空航天

技术介绍
从1957年第一颗人造地球卫星升空以来,截至2016年底,人类共进行了5000余次航天器发射活动,把6700余颗航天器送入地球轨道,在所有发射的航天器中只有近1400个航天器在有效服役,而其他航天器因丧失功能而变成了空间垃圾。260余次在轨航天器或火箭解体/爆炸/撞击(破碎)事件,产生了数量众多的太空垃圾，证实了凯斯勒现象。随着SpaceX和oneweb等公司的超大规模低轨星座的快速发展，近地空间变得愈加的拥堵与危险。这些空间碎片不仅会干扰地面上人员的天文观测活动，而且其本身具有高速性(≥7.9km/s)，因此极小的空间碎片也会具有较大的动能，在撞击时造成极大的破坏，严重干扰后续的发射与入轨任务，同时威胁在轨航天器的安全。通过数值模拟证明，为了实现安全稳定的近地轨道环境，每年必须主动清除至少五个大型空间碎片。绳系拖曳系统是目前最有应用前景的主动清除技术之一，具备对目标适应性好、安全性高等优势。绳系拖曳系统是典型的二体绳系卫星系统，但是在经典的哑铃模型中，碎片姿态和系绳柔性的影响经常被忽略。因此发展出了珠链模型，利用一系列由阻尼弹簧串联的珠点模拟力波在系绳中的传递。由于绳系系统无法实现对碎片目标的精细操作，在捕获后应当通过回收系绳，逐步缩短拖船与目标之间的距离，直至拖船上机械臂完成对碎片的牢固捕获。然而，由于绳系系统的收绳过程是固有不稳定的，会激发系绳的摆动，进一步引起目标和拖船的摆动，容易造成安全隐患。例如，拖船上机械臂与摆动的系绳或目标相撞受损，产生更多小碎片等。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决绳系拖曳系统收绳过程引起系统振荡甚至失稳的问题，提供一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法。该方法利用绳系拖曳系统，考虑了碎片姿态和柔性绳的特性，在三维空间中建立了珠链模型，采用数量可变的绳结点来模拟收绳过程中系绳长度和质量的变化，并针对该系统设计了一种闭环波动控制方法，仅通过拖船推进器实现拖曳空间碎片的同时抑制系绳回收引起的振动，有效地将空间碎片稳定拖曳至预定轨道。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法，通过在拖船上的飞爪或绳网对碎片进行捕获后，回收系绳的过程中，通过建立由一系列半弹簧阻尼系绳连接珠点构成的三维绳系拖曳系统物理模型，然后利用牛顿-欧拉法推导出动力学方程，给出了收绳过程中系统结构变化规律。并通过闭环波动控制方法，在拖曳离轨的同时，利用拖船推进器实现系绳摆振抑制和碎片姿态控制。该方法具有可操作性强，成本低，效率高的特点，适用于单绳拖曳系统。本专利技术公开的一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法，包括如下步骤：步骤一：通过牛顿-欧拉方法建立绳系拖曳系统回收阶段的动力学精确模型；绳系拖曳系统由拖船、系绳和空间碎片组成。拖船视为质点，碎片视为刚体。系绳采用一系列由阻尼弹簧串联的珠点组成的珠链模型。系绳一端的节点B1连接在碎片上，另一端的节点BN连接在拖船上，所述节点BN与拖船质心Ot重合。采用数量可变的绳结点来模拟收绳过程中系绳的变化。随着卷扬机转动，最后一段系绳的原长和绳结点质量减小，达到一定阈值时移除该绳结点，合并两段系绳，形成新的末端系绳。实际的收绳过程中也是系绳靠近卷扬机的一端首先受到张力作用。初始时刻系绳总的原长为L0，各绳段原长为lc，系绳的收缩速度为a，当前的绳结点数量为N，当前时刻各绳段的原长给定阈值lr，若l0,N-1<lr，则移除绳结点BN-1，更新绳结点数量N*＝N-1(2)合并最后两段系绳被回收系绳的质量添加至拖船，整个过程系统总质量不变。连接拖船与碎片的绳结点B1、BN不计质量，其余各珠点质量根据系绳线密度由质量集中法得出参考坐标系均为右手系，定义如下：地球惯性坐标系fe(Oexeyeze)，xe轴始终指向春分点，xz轴沿着地球自转轴指向北；轨道坐标系fo(Otxoyozo)，采用当地铅锤当地水平坐标系，原点在拖船质心Ot处，xo轴与运动方向相反，zo轴沿轨道径向外延伸；碎片碎片本体系fd(Odxdydzd)，与碎片惯性主轴重合。在地球惯性坐标系fe下定义拖船的位置矢量Ro和速度矢量Vo。轨道坐标系fo各轴的单位方向矢量表示为ko＝Ro/Ro，jo＝Ro×Vo/|Ro×Vo|，io＝jo×ko。Ro是轨道半径的大小。因此从轨道坐标系fo到地球惯性坐标系fe的转换矩阵为采用四元数Q＝ξ0+ξ1i+ξ2j+ξ3k，表示拖船的姿态运动。得到从轨道坐标系fo到碎片本体系fd的转换矩阵其中，I3是3×3的单位矩阵；ξ0是四元数的实部，ξi是四元数的虚部，ξi＝[ξ1,ξ2,ξ3]T；表示向量的叉乘矩阵，从碎片本体系fd到地球惯性坐标系fe的转换矩阵为利用赤道轨道根数表示轨道运动，所述赤道轨道根数是由半通径中间变量和真经度构成；采用经典轨道要素定义赤道轨道根数，表达式为：所述经典轨道要素由半长轴偏心率倾角升交点赤经近地点幅角和真近点角构成；将式(5)代入经典轨道要素的轨道摄动方程，得到：其中，μ是地球引力常数，中间变量和的定义为ax，ay和az是来源于系绳张力和拖船推力的扰动加速度分量，表示在轨道坐标系fo下。地球惯性坐标系fe下的Ro、Vo和轨道坐标系fo下的角速度ωo、角加速度εo表示为：为表达绳系拖曳系统的相对运动，选取以下广义坐标：其中，是空间碎片的碎片本体系相对于轨道坐标系的转角在fd下的分量列阵，rd和r2,…,rN-1分别为碎片质心Od和绳结点B2,…,BN-1到轨道坐标系原点Ot的位置矢量在fo下的分量列阵。则广义速率为：相对运动是由两个物体在同一参考系的运动作差得到，因此有必要求出拖船所受外力在轨道坐标系fo中的分量列阵为Ft＝Fg,t+Fp+FT,t。则拖船重力为其中，mt是拖船质量。发动机推力的表达式为Fp＝[PxPyPz]T(18)其中，Px，Py，Pz分别是推力在轨道坐标系三轴下的分量。每段系绳的标称长度为l0,n。收绳过程中在卷扬机的作用下，连接拖船的绳段标称长度l0,N-1随时间发生改变。该绳段对于拖船的张力表示式为其中，其中，系绳的刚度系数kn＝EA/l0,n，阻尼系数E是系绳杨氏模量,A是系绳横截面积，ρ为系绳线密度，ξ是系绳结构阻尼比，第N-1个绳段的位置矢量在地球惯性坐标系fe中的分量列阵为lN-1＝rN-1(20)分量列阵的一阶导为由此得到碎片质心的相对运动方程其中，md是碎片质量。碎片所受重力在轨道坐标系fo下的表达式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一：通过牛顿-欧拉方法建立绳系拖曳系统回收阶段的动力学精确模型；/n绳系拖曳系统由拖船、系绳和空间碎片组成。拖船视为质点，碎片视为刚体。系绳采用一系列由阻尼弹簧串联的珠点组成的珠链模型。系绳一端的节点B

【技术特征摘要】
1.一种失效卫星绳系回收的摆动抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：通过牛顿-欧拉方法建立绳系拖曳系统回收阶段的动力学精确模型；
绳系拖曳系统由拖船、系绳和空间碎片组成。拖船视为质点，碎片视为刚体。系绳采用一系列由阻尼弹簧串联的珠点组成的珠链模型。系绳一端的节点B1连接在碎片上，另一端的节点BN连接在拖船上，所述节点BN与拖船质心Ot重合。
采用数量可变的绳结点来模拟收绳过程中系绳的变化。随着卷扬机转动，最后一段系绳的原长和绳结点质量减小，达到一定阈值时移除该绳结点，合并两段系绳，形成新的末端系绳。实际的收绳过程中也是系绳靠近卷扬机的一端首先受到张力作用。
初始时刻系绳总的原长为L0，各绳段原长为lc，系绳的收缩速度为a，当前的绳结点数量为N，当前时刻各绳段的原长



给定阈值lr，若l0,N-1<lr，则移除绳结点BN-1，更新绳结点数量
N*＝N-1(2)
合并最后两段系绳
l0,N*-1＝l0,N-1+lc(3)
被回收系绳的质量添加至拖船，整个过程系统总质量不变。连接拖船与碎片的绳结点B1、BN不计质量，其余各珠点质量根据系绳线密度由质量集中法得出



参考坐标系均为右手系，定义如下：地球惯性坐标系fe(Oexeyeze)，xe轴始终指向春分点，xz轴沿着地球自转轴指向北；轨道坐标系fo(Otxoyozo)，采用当地铅锤当地水平坐标系，原点在拖船质心Ot处，xo轴与运动方向相反，zo轴沿轨道径向外延伸；碎片碎片本体系fd(Odxdydzd)，与碎片惯性主轴重合。
在地球惯性坐标系fe下定义拖船的位置矢量Ro和速度矢量Vo。轨道坐标系fo各轴的单位方向矢量表示为ko＝Ro/Ro，jo＝Ro×Vo/|Ro×Vo|，io＝jo×ko。Ro是轨道半径的大小。因此从轨道坐标系fo到地球惯性坐标系fe的转换矩阵为



采用四元数Q＝ξ0+ξ1i+ξ2j+ξ3k，表示拖船的姿态运动。得到从轨道坐标系fo到碎片本体系fd的转换矩阵



其中，I3是3×3的单位矩阵；ξ0是四元数的实部，ξi是四元数的虚部，ξi＝[ξ1,ξ2,ξ3]T；表示向量的叉乘矩阵，



从碎片本体系fd到地球惯性坐标系fe的转换矩阵为



利用赤道轨道根数表示轨道运动，所述赤道轨道根数是由半通径中间变量和真经度构成；采用经典轨道要素定义赤道轨道根数，表达式为：



所述经典轨道要素由半长轴偏心率倾角升交点赤经近地点幅角和真近点角构成；将式(5)代入经典轨道要素的轨道摄动方程，得到：



其中，μ是地球引力常数，中间变量和的定义为ax，ay和az是来源于系绳张力和拖船推力的扰动加速度分量，表示在轨道坐标系fo下。地球惯性坐标系fe下的Ro、Vo和轨道坐标系fo下的角速度ωo、角加速度εo表示为：












为表达绳系拖曳系统的相对运动，选取以下广义坐标：



其中，是空间碎片的碎片本体系相对于轨道坐标系的转角在fd下的分量列阵，rd和r2,…,rN-1分别为碎片质心Od和绳结点B2,…,BN-1到轨道坐标系原点Ot的位置矢量在fo下的分量列阵。
则广义速率为：



相对运动是由两个物体在同一参考系的运动作差得到，因此有必要求出拖船所受外力在轨道坐标系fo中的分量列阵为Ft＝Fg,t+Fp+FT,t。则拖船重力为



其中，mt是拖船质量。
发动机推力的表达式为
Fp＝[PxPyPz]T(18)
其中，Px，Py，Pz分别是推力在轨道坐标系三轴下的分量。
每段系绳的标称长度为l0,n。收绳过程中在卷扬机的作用下，连接拖船的绳段标称长度l0,N-1随时间发生改变。该绳段对于拖船的张力表示式为



其中，其中，系绳的刚度系数kn＝E...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁瑞，姚傅祯，汤亮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11