一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的稳定控制方法技术

本发明专利技术公开的一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的稳定控制方法，属于航空航天技术领域。本发明专利技术实现方法为：基于考虑柔性绳网和柔性帆板连接的简化拖曳模型，采用波动控制设计控制律，该控制律通过观测与拖船相连系绳的张力，计算出应当施加在拖船上的控制力，在拖船上施加所述控制力主动控制稳定碎片姿态，使拖船、失效航天器和帆板逼近相同速度与加速度，三者达到稳定状态后实现失效航天器拖曳姿态的稳定与帆板振动的抑制。本发明专利技术仅通过观测与拖船相连系绳的张力，即能够计算出应当施加在拖船上的控制力，具有控制方法简单，计算量小，可操作性强等特点。本发明专利技术能够保证拖曳系统的安全，避免二次碎片污染。避免二次碎片污染。避免二次碎片污染。

【技术实现步骤摘要】
一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的稳定控制方法


[0001]本专利技术涉及一种绳网拖曳主动控制方法，尤其涉及一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的姿态稳定和振动抑制方法，适用于带帆板失效航天器等大型空间碎片的拖曳离轨清除过程，属于航空航天


技术介绍

[0002]自从1957年Sputnik 1号发射升空以来，人类航天活动已经将大量航天器送入了轨道，根据欧洲航天局(European Space Agency,ESA)最新发布的2021年太空环境报告(ESA Space Debris Office.ESA
’
s annual space environment report revision 5.0[R],2021,3
‑
7.)来看，截至2020年末，地球轨道上能够被监测到的物体超过28000个，并且增长趋势稳定。这其中实际运行的航天器仅占6000个左右，其余均为空间碎片。空间碎片的数量已经增长得如此庞大，不仅意味着有限的轨道资源被不断占用，更加危险的是，碎片与航天器发生碰撞的风险也在随之提升。即使未来不再本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的稳定控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立简化拖曳模型涉及的相关坐标系，将拖船和失效航天器中心平台简化为刚体，帆板简化为忽略厚度的柔性板，绳网简化为若干连接在失效航天器和帆板上的子绳，建立考虑柔性绳网和柔性帆板连接的简化拖曳模型；步骤二：采用波动控制方法设计Y方向的横向控制律，该控制律通过观测系绳张力Y方向分量计算出应当施加在拖船Y方向上的控制力，在拖船Y方向上施加所述控制力实现失效航天器在Y方向的姿态稳定；步骤三：采用波动控制方法设计Z方向的横向控制律，该控制律通过观测系绳张力Z方向分量计算出应当施加在拖船Z方向上的控制力，在拖船Z方向上施加所述控制力实现失效航天器在Z方向的姿态稳定；步骤四：采用波动控制方法设计X方向的纵向控制律，该控制律通过观测系绳张力X方向分量计算出应当施加在拖船X方向上的控制力，在拖船X方向上施加所述控制力实现对帆板的振动抑制；步骤五：当失效卫星的帆板产生振动，或是系绳逐渐趋于松弛，有偏离稳态值的返回波沿系绳传到拖船连接点；根据步骤二、三、四施加相应控制力调整拖船与失效卫星的相对位置，主动控制稳定碎片姿态，使拖船、失效航天器和帆板逼近相同速度与加速度，三者达到稳定状态后连接点处接收到的返回波会被控制到稳定值，实现失效航天器拖曳姿态的稳定与帆板振动的抑制。2.如权利要求1所述的一种用于绳网拖曳带帆板失效航天器的稳定控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，建立考虑柔性绳网和柔性帆板连接的简化拖曳模型涉及以下坐标系：地心赤道惯性坐标系f
e
(O
e
x
e
y
e
z
e
)原点O
e
位于地球中心；x
e
轴指向春分点；z
e
轴垂直于赤道平面指向北极；y
e
轴在赤道平面内满足右手定则；拖船质心轨道坐标系f
o
(O
b1
x
o
y
o
z
o
)原点O
b1
取在拖船质心；z
o
轴指向地球中心；x
o
轴在轨道平面内垂直于z
o
轴，指向拖船前进方向；y
o
轴垂直于质心轨道平面与角动量矢量反向，且满足右手定则；临时坐标系f
c
(O
b1
XYZ)，用于推导主动控制律，该坐标系由f
o
绕y
o
轴旋转180
°
得到；基于轨道系的方向，定义系统各部分的本体坐标系，即拖船本体坐标系f
b1
(O
b1
x
b1
y
b1
z
b1
)、失效航天器本体坐标系f
b2
(O
b2
x
b2
y
b2
z
b2
)、左侧帆板的本体坐标系f
a1
(O
a1
x
a1
y
a1
z
a1
)以及右侧帆板的本体坐标系f
a2
(O
a2
x
a2
y
a2
z
a2
)，原点均取在各自质心，三轴为各自惯性主轴；拖船和失效航天器中心平台简化为刚体，刚体满足如式(1)所示的姿态动力学方程其中J是转动惯量矩阵，ω是速度分量列阵，ω
×
对应叉乘运算的矩阵；外力矩T根据外力F和力臂r求得T＝r
×
F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)帆板简化为忽略厚度的柔性板，采用有限元分析的方法，将帆板离散为若干质量点，利用帆板的前三阶模态频率(ν1,ν2,ν3)和阻尼比(λ1,λ2,λ3)来体现其柔性；通过模态坐标q得
到帆板振动产生的弹性力为其中K是帆板的模态刚度矩阵，C是模态阻尼矩阵，表达式分别为其中K是帆板的模态刚度矩阵，C是模态阻尼矩阵，表达式分别为绳网简化为若干连接在失效航天器和帆板上的子绳，系绳采用弹簧阻尼模型，对于绳段矢量l
ab
，其张力表示为其中，k是弹性系数，ζ为阻尼系数，为绳段原长，当系绳长度小于原长时，系绳松弛无张力；简...

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