CN109592080B - 一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天卫星技术领域，涉及一种系绳‑电磁协同控制的微纳星柔性回收方法及装置。回收方法步骤为：S1、建立电磁捕获系统操控动力学模型；S2、母星接收微纳星发出的回收指令；S3、根据电磁捕获系统操控动力学模型，母星通过卷扬机构向微纳星发射电磁捕获系统；S4、电磁捕获系统飞行进入电磁场‑永磁场相互作用空间范围，母星通过指令实现电磁捕获系统与永磁体柔性对接，形成对接组合体；S5、母星通过卷扬机构与电磁捕获系统相连接的系绳拉回电磁捕获系统；S6、母星与对接组合体实现硬对接。回收装置包括卷扬机构、电磁捕获系统、系绳和永磁体；本发明利用系绳质量轻、展开距离远、收放方便可控等优势且不消耗推进剂、无羽流污染。
Description
技术领域
本发明属于航天卫星技术领域，具体涉及一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法及装置。
背景技术
随着航天技术的发展，微纳星功能逐渐强大，其作为功能模块用于在轨组装、对母星及周围环境进行态势感知等军事应用的作用空间逐渐扩展。然而，限于体积及功耗约束，微纳星需经常性与母星进行对接以实现推进剂加注、能源补充、模块更换/升级等操作，且其所带的有限能源主要用于功能性任务。因此，微纳星与母星对接需探索创新手段，即不消耗或低消耗微纳星推进剂或能源。
目前，微纳星回收主要采用本身自带冷气推进、母星机械臂、飞网捕获、鱼叉捕获等方法。
微纳星自带冷气推进回收：微纳星通过自带冷气推进与母星进行对接以实现回收，为成熟的微纳星在轨回收方式，消耗推进剂、要求高精度的相对导航与接近控制能力；由于微纳星质量/体积限制，其所携带的推进剂非常有限，一般用于特定的有效任务(如绕母星飞行观测等)，而诸如与母星分离、返回等一般不采用冷气推进回收方式。
母星机械臂抓捕：母星通过多自由度机械臂抓捕微纳星以完成回收，为成熟的微纳星在轨回收方式；由于质量/体积限制，母星机械臂操控空间范围有限，目前最远仅为几十米，对与母星相距较远的微纳星无能为力；另外，机械臂抓捕对相对导航与接近控制能力也较高。
飞网/鱼叉捕获：母星通过系绳收放装置发射出系绳所连接的飞网、鱼叉捕获微纳星，然后进行后续离轨拖曳、切断系绳、母星返回任务轨道等操作，主要针对失效卫星等非合作目标，对合作目标优势不大；对微纳星存在致命伤害，捕获后微纳星后续任务能力基本丧失。
总的来说，现有的微纳星回收方法具有作用距离近、推进剂消耗大、相对导航/控制需求高、损害微纳星能力等不足，需要进一步改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明综合利用系绳的质量轻、展开距离远、收放方便可控等优势，以及电磁对接的不消耗推进剂、无羽流污染、连续/可逆/同步/自对接等高精度控制能力，可实现相距母星较远距离(不低于几百米)的微纳星在轨柔性回收操控。与上述其他现有技术相比，具有作用距离远、不消耗推进剂、相对导航/控制需求低、不损害微纳星能力等优势。具体技术方案如下：
一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法，包括以下步骤：
S1、建立电磁捕获系统操控动力学模型；
S2、母星接收微纳星发出的回收指令；
S3、根据电磁捕获系统操控动力学模型，母星通过卷扬机构向微纳星发射捕获系统；
S4、电磁捕获系统飞行进入‘电磁捕获系统-微纳星永磁体的磁场相互作用范围’，基于母星-微纳星间相对位置/姿态测量信息，母星通过指令实现电磁捕获系统电流控制，使其与永磁体柔性对接，形成对接组合体；
S5、母星通过卷扬机构与电磁捕获系统相连接的系绳拉回对接组合体；
S6、母星与对接组合体完成硬对接，进而实现微纳星与母星之间的电、气和液通道连接。
进一步地，所述步骤S1的具体过程为：
建立参考坐标系oMxyz，以母星质心oM为原点，oMx轴沿母星质心的地心矢径方向，oMy轴在母星运行轨道平面内并垂直于oMx轴，根据右手法则确定oMz轴；
建立计算坐标系oCMxEMyEMzEM，以电磁捕获系统与永磁体组合体的质心oCM为原点，oCMxEM轴沿电磁捕获系统质心与永磁体质心连线，方向指向永磁体质心，oCMyEM处于oCMxEM与oMoCM组成的面内并垂直于oCMxEM，oCMzEM与oCMxEM、oCMyEM构成右手直角坐标系。
电磁捕获系统操控动力学模型为：
其中，ω为母星的轨道运动角速度，l为系绳长度、θ为系绳相对oMx的母星轨道面内角、
为系绳相对母星轨道面外角、ρ为系绳线密度、m为电磁捕获系统质量、T为系绳张力，字母上方符号“·”、“··”分别表示对应参数对时间的一次、二次导数，
表示永磁体对电磁捕获系统产生的电磁力在系绳长度方向的投影分量。
进一步地，所述步骤S4中的电磁捕获系统与永磁体柔性对接设计为：
将电磁捕获系统以磁偶极子表征，基于磁力线矢量设计期望柔性对接轨迹、速度和加速度，通过优化多磁偶极子之间的横向/纵向相对距离、磁偶极子磁矩，设计电磁捕获系统与永磁体柔性对接需求的控制参数，依据控制参数实现电磁捕获系统与永磁体柔性对接，具体为：
所述基于磁力线矢量设计的期望对接速度为：
其中，vd为期望对接速度，
分别为电磁捕获系统指向永磁体的相对距离、磁偶极子磁矩的单位矢量，kv为任务需求调节参数，r为电磁捕获系统与永磁体之间的相对距离。
所述期望对接轨迹rd为：
式中，r0表示初始时刻的电磁捕获系统与永磁体之间的相对距离，t表示对接时间。
所述期望对接加速度ad为：
本发明还提供了一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收装置，该装置包括卷扬机构1、电磁捕获系统2、系绳3和永磁体4；所述卷扬机构安装在母星上，用于发射与回收电磁捕获系统；所述电磁捕获系统用于与微纳星上永磁体柔性对接以形成对接组合体；所述系绳用于连接卷扬机构与所述电磁捕获系统；所述永磁体安装在微纳星上，用于与电磁捕获系统柔性对接，形成对接组合体。
为更好地理解本发明方法和装置的实现过程，下面对相关原理进行详细介绍。
1、系绳-电磁协同控制过程
系绳-电磁协同控制过程如图3所示，图中母星即服务航天器、微纳星为需服务的微纳星对象(带有永磁体)；分为5个阶段，第一阶段为系绳展开电磁捕获系统，第二阶段为电磁捕获系统进入电磁场-永磁场相互作用空间，第三阶段为电磁捕获系统与永磁体柔性对接，第四阶段为收回微纳星，第五阶段为微纳星与母星电/气/液通道连接。
2、电磁捕获系统操控动力学模型的推导过程
设母星运行于近地圆轨道，轨道高度为H，则母星的轨道运动角速度为：
式中，μE为地球引力常数、RE为地球平均半径。
建立系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收空间构型与参考坐标系如图4所示，基此推导得到未进入电磁场-永磁场相互作用范围的电磁捕获系统相对永磁体平动运动动力学模型为：
式中，l为系绳长度、θ为系绳相对oMx的母星轨道面内角、
为系绳相对母星轨道面外角、ρ为系绳线密度、m为电磁捕获系统质量、T为系绳张力；
分别为对应参数对时间的一次、二次导数。
一旦电磁捕获系统进入电磁场-永磁场相互作用空间范围，星间电磁力需引入式(2)。将电磁捕获系统、永磁体以磁偶极子表征，并基于电磁捕获系统-永磁体系统质心oCM建立电磁力/力矩计算参考系oCMxEMyEMzEM，参见图5，oCMxEM沿电磁捕获系统质心与永磁体质心连线(由前者指向后者)、oCMyEM处于oCMxEM与oMoCM组成的面内并垂直于oCMxEM，oCMzEM与oCMxEM、oCMyEM构成右手直角坐标系。
图5中，EM表示电磁捕获系统，PM表示永磁体，μEM为电磁捕获系统磁矩、α为电磁捕获系统磁矩矢量与oCMxEM轴之间的夹角、χ为电磁捕获系统磁矩矢量在oCMyEMzEM平面的投影与oCMyEM轴之间的夹角；μPM为永磁体磁矩、β为永磁体磁矩矢量与oCMxEM轴之间的夹角、δ为永磁体磁矩矢量在oCMyEMzEM平面的投影与oCMyEM轴之间的夹角；r为电磁捕获系统与永磁体之间的相对距离。基于图5表示的电磁-永磁相对构型产生的电磁力/力矩为：
式中，μ0为真空磁导率，π为圆周率；(FxEM,FyEM,FzEM)表示永磁体对电磁捕获系统在oCMxEM、oCMyEM及oCMzEM轴向产生的电磁力，(τxEM,τyEM,τzEM)表示永磁体对电磁捕获系统在oCMxEM、oCMyEM及oCMzEM轴向产生的电磁力矩；(FxPM,FyPM,FzPM)表示电磁捕获系统对永磁体在oCMxEM、oCMyEM及oCMzEM轴向产生的电磁力，(τxPM,τyPM,τzPM)表示电磁捕获系统对永磁体在oCMxEM、oCMyEM及oCMzEM轴向产生的电磁力矩。
设定oCMxEMyEMzEM参考系到oMxyz参考系的旋转矩阵为EMRM，则电磁力在oMxyz的投影分量为：
根据图4，推导得到球坐标与笛卡尔坐标之间的转换关系为：
对式(5)进行两次时间求导并代入式(2)和式(4)，可得oMxyz参考坐标系下、以笛卡尔坐标表示的、考虑了系绳张力与星间电磁力联合作用的电磁捕获系统动力学模型。
由于电磁-永磁作用空间接近，简化认为oMx平行于oCMxEM，且星间电磁力矩为0，电磁力满足：
则，系绳-电磁协同控制的电磁捕获系统动力学模型整理为：
3、基于多电磁偶极子构型的柔性对接控制设计过程
基于相对位置/姿态测量信息，母星向电磁捕获系统发出对应的电流控制指令，电磁捕获系统根据控制指令给螺线管上电使其产生电磁场，电磁场与永磁体磁场相互作用产生电磁力/力矩，用于控制电磁捕获系统与永磁体之间的相对位置/姿态。
将电磁捕获系统以磁偶极子表征，基于磁力线矢量设计期望柔性对接轨迹与速度，通过优化多磁偶极子之间的横向/纵向相对距离、磁偶极子磁矩，设计得到满足电磁捕获系统-永磁体柔性对接需求的控制参数。
基于磁力线矢量设计的期望对接速度为：
式中，vd为期望对接速度，
分别为相对距离、磁偶极子磁矩的单位矢量，kv为根据任务需求设定的调节参数，调节参数为常量。
根据一维电磁对接任务需求，将
及kv＝0.01代入式(8)，可得期望对接速度为：
进一步，由式(8)推导可得对应的期望对接轨迹为：
式中，r0表示初始时刻的相对距离。
对应的期望对接加速度为：
多电磁偶极子构型设计如图所示。图中，电磁捕获系统由3个磁偶极子(EM0,EM1,EM2)组成，其对应磁矩表示为μEM0、μEM1、μEM2，EM0相距EM1与EM2的连线为s，EM1与EM2相距2l1；永磁体以磁偶极子PM表征，其对应磁矩为μPM)；虚线箭头表示磁偶极子指向。
在图所示‘3电磁偶极子与1永磁偶极子作用’(表征为‘3vs1’)的多磁偶极子构型下，电磁捕获永磁体的作用空间划分如图所示。
3个磁偶极子(EM0,EM1,EM2)对与其平行且方向一致永磁偶极子PM的捕获空间可由正圆锥表征，图给出了对应的截面(其他截面具有一致性质)：h为圆锥高，(α1,α2)分别表示短点线、实线圆锥的半锥角；短点线圆锥为自对接圆锥，位于其内部及表面的磁偶极子将自动运行到圆锥顶点；实线圆锥为半自对接圆锥，位于其内部及表面的磁偶极子可能会运行到圆锥顶点，也可能发散，(α1,α2,h)满足：
式中，Fdes设定为10倍航天器对接所面临的干扰力，(μEMmax,μPMmax)分别为电磁/永磁可提供的最大磁偶极子磁矩。
一维对接轨迹(图中竖直粗实线)经过3个磁偶极子(EM0,EM1,EM2)捕获空间的叠加区域，该区域可分为3部分：(o,o1)、(o1,o2)及(o2,o3)。其中，(o2,o3)为自对接段，永磁体会逐渐运行至o2点；不考虑电磁偶极子EM0作用时，(o1,o2)为半自对接段、(o,o1)为排斥段。另外，进一步分析可知，电磁偶极子EM0在对接轨迹oo3整个过程体现为吸引作用。因此，充分利用电磁偶极子(EM1,EM2)的前端吸引、后端排斥以及电磁偶极子EM0的全程吸引作用，通过适当设计(s,l1,μEM0,μEM1,μEM2)，可实现永磁体与电磁捕获系统的柔性对接。
图中，不失一般性且为便于设计，通常设定μEM0＝μEM1＝μEM2＝μPM并以磁矩μ表征，即μEM0＝μEM1＝μEM2＝μPM＝μ，则永磁偶极子μPM所受电磁力为：
式中，(FPMEM0,FPMEM1,FPMEM2)分别为电磁偶极子(μEM0,μEM1,μEM2)对永磁偶极子μPM的电磁力。
为使电磁偶极子μEM0的引入能在(μEM1,μEM2)产生的半自对接区、排斥区产生吸引作用，s应满足：
基此，给定(μ,m,l1)及柔性接触速度需求vsoft≤0.01(m/s)，s可设计为：
考虑轨道面法向(H-bar向)对接，动力学模型为：
式中，FPM为式(13)给出的电磁捕获系统对永磁体作用力。
采用本发明获得的有益效果：本发明综合利用系绳的质量轻、展开距离远、收放方便可控等优势，以及电磁对接的不消耗推进剂、无羽流污染；采用电流控制模式，具有连续/可逆/同步/自对接等高精度控制能力，可实现相距母星较远距离(不低于几百米)的微纳星在轨柔性回收操控，相对导航/控制需求低且不损害微纳星能力等。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为本发明装置结构示意框图；
图3为系绳-电磁协同控制过程原理图；
图4为系绳-电磁协同控制的远距离微纳星在轨柔性回收空间构型与参考坐标系；
图5为星间电磁操控空间构型与计算坐标系；
图6为‘3vs1’的多磁偶极子控制构型示意图；
图7为‘3vs1’模式下电磁捕获系统与永磁体的作用空间示意图；
图8为实施例中永磁体与电磁捕获系统之间的相对位置r与相对速度v变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法，具体步骤如下：
S1、建立电磁捕获系统操控动力学模型；
S2、母星接收微纳星发出的回收指令；
S3、根据电磁捕获系统操控动力学模型，母星通过卷扬机构向微纳星发射电磁捕获系统；
S4、电磁捕获系统飞行进入电磁场-永磁场相互作用空间范围，母星通过指令实现电磁捕获系统与永磁体柔性对接，形成对接组合体；
S5、母星通过卷扬机构与电磁捕获系统相连接的系绳拉回电磁捕获系统；
S6、母星与对接组合体实现硬对接，实现微纳星与母星之间的电、气和液通道连接。
如图2所示，一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收装置，可以采用上述系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法，该装置包括卷扬机构、电磁捕获系统、系绳和永磁体；所述卷扬机构安装在母星上，用于发射与回收电磁捕获系统，实施例中卷扬机构采用现有技术中的产品即可；所述电磁捕获系统，用于与微纳星上永磁体柔性对接，形成对接组合体，实施例中电磁捕获系统由5cm半径圆铝板，沿圆铝板边沿平均分布的2个螺线管(长度5cm、半径1cm)以及圆铝板背部布置且正面露头的1个螺线管(长度5cm、半径1cm)、功率放大器和通电连接线路组成；所述系绳用于连接卷扬机构与所述电磁捕获系统；所述永磁体安装在微纳星上，用于与电磁捕获系统柔性对接，形成对接组合体。母星与电磁捕获系统之间的电路连接线路可以设置在系绳内部，与系绳成为一体结构。
实施例中，给定电磁捕获系统和卫星的物理参数与初始状态为：
式中，(r0,v0)分别为初始时刻的相对距离与相对速度。
采用上述理论设计，得到永磁体与电磁捕获系统之间的相对位置r与相对速度v变化如图8所示。分析可知，本发明仅需通过多磁偶极子构型适当配置、系绳的发射与回收、普通的相对测量能力，即可实现面向远距离失效微纳星的在轨柔性回收操作，抗扰鲁棒性强(充分利用了电磁自对接特性，可允许一定范围的初始相对位置/姿态偏差)、对相对导航及控制需求低(体现为可允许一定程度的相对位置/姿态测量偏差、恒定磁偶极子设计)。
Claims (3)
1.一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、建立电磁捕获系统操控动力学模型；具体过程为：
建立参考坐标系oMxyz，以母星质心oM为原点，oMx轴沿母星质心的地心矢径方向，oMy轴在母星运行轨道平面内并垂直于oMx轴，根据右手法则确定oMz轴；
建立计算坐标系oCMxEMyEMzEM，以电磁捕获系统与永磁体组合体的质心oCM为原点，oCMxEM轴沿电磁捕获系统质心与永磁体质心连线，方向指向永磁体质心，oCMyEM处于oCMxEM与oMoCM组成的面内并垂直于oCMxEM，oCMzEM与oCMxEM、oCMyEM构成右手直角坐标系；
电磁捕获系统操控动力学模型为：
其中，ω为母星的轨道运动角速度，l为系绳长度、θ为系绳相对oMx的母星轨道面内角、
为系绳相对母星轨道面外角、ρ为系绳线密度、m为电磁捕获系统质量、T为系绳张力，字母上方符号“·”、“··”分别表示对应参数对时间的一次、二次导数，
表示永磁体对电磁捕获系统产生的电磁力在绳长方向的投影分量；
S2、母星接收微纳星发出的回收指令；
S3、根据电磁捕获系统操控动力学模型，母星通过卷扬机构向微纳星发射电磁捕获系统；
S4、电磁捕获系统飞行进入电磁场-永磁场相互作用空间范围，母星通过指令实现电磁捕获系统与永磁体柔性对接，形成对接组合体；
S5、母星通过卷扬机构与电磁捕获系统相连接的系绳拉回电磁捕获系统；
S6、母星与对接组合体实现硬对接，实现微纳星与母星之间的电、气和液通道连接。
2.如权利要求1所述的一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法，其特征在于，所述步骤S4中的电磁捕获系统与永磁体柔性对接过程为：
将电磁捕获系统以磁偶极子表征，基于磁力线矢量设计期望对接轨迹、速度和加速度，通过优化多磁偶极子之间的横向/纵向相对距离、磁偶极子磁矩，设计电磁捕获系统与永磁体柔性对接需求的控制参数，依据控制参数实现电磁捕获系统与永磁体柔性对接，具体为：
基于磁力线矢量设计的期望对接速度为：
其中，vd为期望对接速度，
为电磁捕获系统指向永磁体的相对距离、
为磁偶极子磁矩的单位矢量，kv为任务需求调节参数，r为电磁捕获系统与永磁体之间的相对距离；
期望对接轨迹rd为：
式中，r0表示初始时刻的电磁捕获系统与永磁体之间的相对距离，t表示对接时间；
期望对接加速度ad为：
3.一种系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收装置，其特征在于，包括卷扬机构、电磁捕获系统、系绳和永磁体；所述卷扬机构安装在母星上，用于发射与回收电磁捕获系统；所述电磁捕获系统，用于与微纳星上永磁体柔性对接，形成对接组合体；所述系绳两端分别连接卷扬机构与所述电磁捕获系统；所述永磁体安装在微纳星上，用于与电磁捕获系统柔性对接，形成对接组合体；所述卷扬机构、所述电磁捕获系统、所述系绳和所述永磁体根据权利要求1所述的系绳-电磁协同控制的微纳星柔性回收方法进行回收操作。
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