CN107589750A

CN107589750A - 一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法

Info

Publication number: CN107589750A
Application number: CN201610527233.6A
Authority: CN
Inventors: 赵国伟; 阳光烈; 赵振家; 孙亮
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明公开了一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，适用于柔性系绳连接的两体卫星系统进行拖曳离轨时的系统组合体姿态控制。给定离轨推力施加方向之后，也便确定了系统姿态期望值，在系统姿态控制下实现系统姿态机动，最终使得两星连线方向与离轨推力施加方向保持一致；系统姿态机动的过程中，以系统姿态作为任务星期望姿态，在任务星姿态控制下实时调整任务星姿态，实现对系统姿态的跟踪；系统姿态机动过程中，系绳方向随时发生变化，在目标星姿态摆动抑制下消除系统姿态机动引起的目标星姿态摆动现象，同时保持安全的星间距离。本发明提供的方法能有效实现绳系组合体姿态机动与稳定，为绳系拖曳离轨任务的安全稳定实施提供保障。

Description

一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，适用于柔性系绳连接的两体卫星系统进行拖曳离轨时的系统组合体姿态控制。

背景技术

绳系拖曳离轨系统由任务星、目标星和连接于二者之间的柔性系绳组成，可用于大尺寸空间碎片的清理，如GEO轨道上的废弃卫星，从而实现轨道资源的重复利用。绳系拖曳离轨任务过程中，任务星通过柔性系绳对目标星施加作用力以完成目标星拖曳离轨任务。相较于刚性连接的目标星捕获离轨方式，绳系拖曳离轨具有任务平台与目标星不直接接触、安全性高、捕获操作半径大等优点。

绳系拖曳离轨系统的主要运动形式包括系统轨道与姿态运动、任务星轨道与姿态运动、目标星轨道与姿态运动及系绳运动，由于绳系拖曳离轨系统采用的系绳具有柔软、易发生弯曲和大变形的特点，导致对系绳及系统组合体的建模与控制变得复杂、困难。

绳系拖曳离轨任务过程中，由于系绳不抗压，任务星与目标星相互靠近可能导致二者之间发生碰撞；由目标星初始角速度或目标星上系绳牵挂点偏置引起的目标星姿态摆动也会影响拖曳离轨过程的稳定性；此外，当任务星离轨推力施加方向不经过系统质心时，会作用于系统一个扰动力矩，导致系统姿态发生摆动，影响拖曳离轨任务过程安全性的同时增加控制燃耗。因此，在施加离轨推力前进行系统组合体姿态机动，使得两星连线方向与将要施加的离轨推力方向保持一致是至关重要的。

发明内容

本发明为实现绳系拖曳离轨任务过程中系统组合体姿态机动与稳定，安全、平稳地完成绳系拖曳离轨任务，提供了一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法。

一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，包括以下几部分内容：

1)系统姿态控制：离轨推力的施加方向应保持与两星连线方向一致，以避免推力作用于系统一个扰动力矩，导致系统姿态发生摆动，因此，在施加离轨推力前需对系统姿态进行调整。在确定离轨推力施加方向后，也就确定了系统姿态期望值设计相应的控制律，得到系统姿态机动所需轨控推力的控制信号，通过任务星上轨控发动机实时调整系统姿态，实现系统姿态对期望值的跟踪。

2)任务星姿态控制：任务星牵挂矢量与两星连线的夹角会导致任务星上存在扰动力矩，引起任务星姿态发生摆动，夹角的大小与系统姿态及任务星姿态有关。定义适当的任务星本体系与系统本体系，使得任务星姿态与系统姿态一致时，任务星牵挂矢量与两星连线重合，系绳对任务星的作用力矩为零，此时，消除任务星牵挂矢量与两星连线夹角的任务转变为任务星姿态对系统姿态的跟踪。以系统姿态作为任务星期望姿态，设计相应的控制律，得到任务星姿态机动所需姿控力矩的控制信号，通过任务星上姿控发动机和动量轮实时调整任务星姿态，实现任务星姿态对系统姿态的跟踪。

3)目标星姿态摆动抑制：为保障系统的安全稳定并减少控制能耗，需要在保证任务星与目标星保持一定安全距离的同时对目标星姿态摆动进行抑制。由于目标星无自主姿态调节控制能力，要对其进行姿态稳定控制，只能通过对系绳张力的调节来实现。系统姿态变化过程中系绳方向发生改变，导致目标星上作用力矩发生变化从而引起目标星姿态摆动，目标星牵挂矢量与系绳之间的夹角越大，扰动力矩越大，目标星摆动也更加明显。将目标星牵挂矢量与系绳夹角作为控制量并考虑系绳长度，设计相应的控制律，通过在任务星上配置响应灵敏的系绳收放装置对系绳张力进行调节，实现系绳长度控制及目标星姿态摆动抑制。

一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，在工作过程中将第1)、第2)、第3)部分内容中所设计的系统姿态控制、任务星姿态控制和目标星姿态摆动抑制结合起来，实现系统组合体姿态协同控制。给定离轨推力施加方向之后，也便确定了系统姿态期望值，在系统姿态控制下实现系统姿态机动，最终使得两星连线方向与离轨推力施加方向保持一致；系统姿态机动的过程中，以系统姿态作为任务星期望姿态，在任务星姿态控制下实时调整任务星姿态，实现对系统姿态的跟踪；系统姿态机动过程中，系绳方向随时发生变化，在目标星姿态摆动抑制下消除系统姿态机动引起的目标星姿态摆动现象，同时保持安全的星间距离。

有益效果

本发明提出的一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，有效实现绳系组合体姿态机动与稳定，为绳系拖曳离轨任务的安全稳定实施提供保障。

附图说明

图1为绳系拖曳离轨示意图；

图2为离轨推力施加方向示意图；

图3为组合体姿态控制系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法的构思是：

如图1所示，绳系拖曳系统离轨过程中，任务星受离轨推力F_th和系绳张力F_T作用，目标星受系绳张力F_T作用，任务星自身具备姿态调节控制能力，执行机构为任务星上姿控发动机与动量轮。点O_m，P_m，P_t，O_t共线时，离轨推力F_th对系统作用力矩为零，系绳张力F_T对两星的作用力矩也为零，此时离轨推力的施加不会引起系统姿态发生摆动，因此，在施加离轨推力前，需先对系统姿态进行调整，使得两星连线方向与离轨推力施加方向保持一致；当系统姿态发生变化时，两星连线方向也随之发生变化，此时调整任务星姿态使得任务星牵挂矢量与两星连线方向一致可以避免系绳对任务星的缠绕并减小任务星姿态摆动；系统姿态变化同样会导致系绳对目标星作用力方向发生变化，在目标星上产生扰动力矩，从而导致目标星姿态发生摆动，目标星上系绳牵挂点偏置同样会引起目标星姿态摆动，影响拖曳离轨过程的稳定性，因此，需要采用一定方法对目标星姿态摆动进行抑制。为满足以上需求，设计了一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法。

本发明的一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，包括以下几部分内容：

1)系统姿态控制：离轨推力的施加方向应保持与两星连线方向一致，以避免推力作用于系统一个扰动力矩，引起系统姿态摆动，因此，需在施加离轨推力前对系统姿态进行调整。任务星离轨推力施加方案如图2所示：沿两星连线方向在任务星上施加连续常值推力F₁作为离轨推力，同时可保证系绳处于张紧状态，根据离轨系统姿态稳定及姿态机动要求，在垂直于两星连线方向施加侧方推力F₂和F₃，其中F₂⊥F₃，调节系统姿态至期望状态，保证推力F₁沿期望方向施加。在确定离轨推力施加方向后，也就确定了系统期望姿态值，设计相应的控制律，得到系统姿态机动所需的轨控推力控制信号，通过任务星上轨控发动机实时调整系统姿态，实现系统姿态对期望值的跟踪。

2)任务星姿态控制：任务星牵挂矢量与两星连线的夹角会导致任务星上存在扰动力矩，引起任务星姿态发生摆动，夹角的大小与系统姿态及任务星姿态有关。定义适当的任务星本体系与系统本体系，使得任务星姿态与系统姿态一致时，任务星牵挂矢量与两星连线方向重合，系绳对任务星的作用力矩为零，此时，消除任务星牵挂矢量与两星连线夹角的任务转变为任务星姿态对系统姿态的跟踪。以系统姿态作为任务星的期望姿态，设计相应控制律，得到任务星姿态机动所需姿控力矩的控制信号，通过任务星上姿控发动机和动量轮实时调整任务星姿态，实现任务星姿态对系统姿态的跟踪。

3)目标星姿态摆动抑制：为保障系统的安全稳定并减少控制能耗，需要在保证任务星与目标星保持一定安全距离的同时对目标星姿态摆动进行抑制。由于目标星无自主姿态调节控制能力，要对其进行姿态稳定控制，只能通过对系绳张力的调节来实现。系统姿态变化过程中系绳方向发生改变，导致目标星上作用力矩发生变化从而引起目标星姿态摆动，目标星牵挂矢量与系绳之间夹角越大，扰动力矩越大，目标星摆动也更加明显。将目标星牵挂矢量与系绳的夹角作为控制量并考虑系绳长度，设计相应控制律，通过在任务星上配置响应灵敏的系绳收放装置对系绳张力进行调节，实现系绳长度控制及目标星姿态摆动抑制。

一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，在工作过程中将第1)、第2)、第3)部分内容中所设计的系统姿态控制、任务星姿态控制和目标星姿态摆动抑制结合起来，实现系统组合体姿态协同控制。

如图3所示，在给定离轨推力施加方向之后，便确定了系统姿态四元数期望值Q_sd和系统角速度期望值ω_sd，通过与系统姿态四元数实际值Q_sys及系统角速度实际值ω_ob进行比较，得到系统姿态四元数误差值Q_se与系统角速度误差值ω_se，设计相应的控制律，得到相应的系统姿态控制信息，通过任务星上轨控发动机实时调整系统姿态，实现系统姿态对期望值的跟踪；

进行系统姿态机动的同时，任务星姿态对系统姿态进行跟踪，即以系统姿态四元数实际值Q_sys作为任务星姿态四元数期望值Q_d，以系统角速度实际值ω_ob作为任务星角速度期望值ω_d，分别与任务星姿态四元数实际值Q_1m和任务星角速度实际值ω_m进行比较，得到任务星姿态四元数误差值Q_e与任务星角速度误差值ω_e，设计相应的控制律，得到任务星姿态控制信息，通过任务星上姿控发动机和动量轮实时调整任务星姿态，实现任务星姿态对系统姿态的跟踪；

系统姿态机动过程中系绳方向随时发生改变，导致目标星所受力矩发生变化，引起目标星姿态摆动。将目标星牵挂矢量与系绳夹角α作为控制量并考虑系绳长度，设计相应的控制律，通过任务星上卷扬机构调节系绳长度与系绳张力，实现组合体姿态机动过程中目标星的姿态摆动抑制及星间安全距离的保持。

Claims

1.一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，包括以下几部分内容：

1)系统姿态控制：离轨推力的施加方向应保持与两星连线方向一致，以避免推力作用于系统一个扰动力矩，导致系统姿态发生摆动，因此，在施加离轨推力前需对系统姿态进行调整；在确定离轨推力施加方向后，也就确定了系统姿态期望值，设计相应的控制律，得到系统姿态机动所需轨控推力的控制信号，通过任务星上轨控发动机实时调整系统姿态，实现系统姿态对期望值的跟踪；

2)任务星姿态控制：任务星牵挂矢量与两星连线的夹角会导致任务星上存在扰动力矩，引起任务星姿态摆动，夹角的大小与系统姿态及任务星姿态有关；定义适当的任务星本体系与系统本体系，使得任务星姿态与系统姿态一致时，任务星牵挂矢量与两星连线重合，系绳对任务星的作用力矩为零，此时，消除任务星牵挂矢量与两星连线夹角的任务转变为任务星姿态对系统姿态的跟踪；以系统实际姿态作为任务星期望姿态，设计相应的控制律，得到任务星姿态机动所需姿控力矩的控制信号，通过任务星上姿控发动机和动量轮实时调整任务星姿态，实现任务星姿态对系统姿态的跟踪；

3)目标星姿态摆动抑制：为保障系统的安全稳定并减少控制能耗，需要在保证任务星与目标星保持一定安全距离的同时对目标星姿态摆动进行抑制，由于目标星无自主姿态调节控制能力，要对其进行姿态稳定控制，只能通过对系绳张力的调节来实现；系统姿态变化过程中系绳方向发生改变，导致目标星上作用力矩发生变化从而引起目标星姿态摆动，目标星牵挂矢量与系绳之间的夹角越大，扰动力矩越大，目标星摆动也更加明显，将目标星牵挂矢量与系绳夹角作为控制量并考虑系绳长度，设计相应的控制律，通过在任务星上配置响应灵敏的系绳收放装置对系绳张力进行调节，实现系绳长度控制及目标星姿态摆动抑制；

一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，在工作过程中将第1)、第2)、第3)部分内容中所设计的系统姿态控制、任务星姿态控制和目标星姿态摆动抑制结合起来，实现系统组合体姿态协同控制；给定离轨推力施加方向之后，也便确定了系统姿态期望值，在系统姿态控制下实现系统姿态机动，最终使得两星连线方向与离轨推力施加方向保持一致；系统姿态机动的过程中，任务星姿态以系统当前姿态作为期望值，在任务星姿态控制下实时调整任务星姿态，实现对系统姿态的跟踪；系统姿态机动过程中，系绳方向随时发生变化，在目标星姿态摆动抑制下消除系统姿态机动引起的目标星姿态摆动现象，同时保持安全的星间距离。

2.根据权利要求1所述的一种用于绳系拖曳离轨的系统组合体姿态协同控制方法，其特征在于：绳系拖曳离轨任务过程中，将第1)、第2)、第3)部分内容中所设计的系统姿态控制、任务星姿态控制和目标星姿态摆动抑制结合起来，实现系统组合体姿态协同控制；

在给定离轨推力施加方向之后，也便确定了系统姿态期望值，通过与系统姿态实际值进行比较，得到系统姿态误差，设计相应的控制律，得到系统姿态控制信息，通过任务星上轨控发动机实时调整系统姿态，实现系统姿态对期望值的跟踪；

进行系统姿态机动的同时，以系统姿态作为任务星期望姿态，通过与任务星姿态实际值比较得到任务星姿态误差，设计相应的控制律，得到任务星姿态控制信息，通过任务星上姿控发动机和动量轮实时调整任务星姿态，实现任务星姿态对系统姿态的跟踪；

系统姿态机动过程中系绳方向随时发生改变，导致目标星所受力矩发生变化，引起目标星姿态摆动。将目标星牵挂矢量与系绳夹角α作为控制量并考虑系绳长度，设计相应的控制律，通过任务星上卷扬机构调节系绳长度与系绳张力，实现组合体姿态机动过程中的目标星姿态摆动抑制及星间安全距离保持。