CN110712772A - 基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，利用飞网捕获旋转目标，包含：步骤1，输入主星与绳结连接方向、旋转目标与主星的相对姿态，作为稳定控制的输入参数；步骤2，以本时刻增大或降低飞网张力对旋转目标姿态造成的影响为判断依据，明确控制目标。本发明以主星与系绳绳结连结方向及目标的姿态角为输入，设计了一种基于飞网张力的旋转目标姿态稳定控制策略，通过增大或减小飞网系绳所受张力来产生目标所需的控制力矩，达到拖曳离轨过程中抑制目标章动角以避免绳网缠绕造成的危险。本方法简单可行，易于工程应用。

Description

基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法

技术领域

本发明涉及基于飞网进行旋转目标的捕获技术，具体涉及基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，越来越多的航天器发射进入太空，随之也有越来越多的老旧航天器故障失效。此外，因为各种原因产生的空间碎片也层出不穷，这些空间碎片及没有维修价值的旋转目标占据了宝贵的轨道资源，尤其是有限的GEO轨道(geostationaryearth orbit，地球同步轨道)资源。

飞网捕获旋转目标进行拖曳离轨是处理空间碎片的重要手段。目前采用绳系对于旋转目标进行姿态稳定控制的手段多为飞爪，基于单飞爪将目标与平台(主星)连接成组合体，通过连接绳的张力实现对目标的消旋稳定控制。然而，该方法抓捕目标需要目标具有合适的抓捕位置，对目标捕获不具备通用性。

由于空间碎片多处于失稳自旋运动状态，如何在拖曳过程中进行目标的姿态控制以避免系绳与目标缠绕，具有非常实际的工程意义。

发明内容

本发明的目的是如何基于细绳张力抑制目标摆动。为了实现基于飞网张力的旋转目标(即旋转目标)横向姿态摆动抑制，本发明提供一种基于飞网张力控制的旋转目标姿态角稳定策略。根据相对测量设备的测量信息，利用飞网系绳张力实现对目标横向，即垂直于自旋轴方向的另外两个轴向的姿态摆动抑制。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，利用飞网捕获旋转目标，包含：

步骤1，输入主星与绳结连接方向、旋转目标与主星的相对姿态，作为稳定控制的输入参数；

步骤2，以本时刻增大或降低飞网张力对旋转目标姿态造成的影响为判断依据，明确控制目标。

较佳地，所述的主星与绳结连接方向是指主星-绳结连线的指向r_sp，所述的旋转目标与主星的相对姿态包含：主星-旋转目标连线的指向r_st、旋转目标本体系相对于主星本体系的姿态角。

较佳地，主星-绳结连线的指向r_sp、主星-旋转目标连线的指向r_st、旋转目标本体系相对于主星本体系的姿态角均通过近程相对测量和/或跟瞄测量手段测量。

较佳地，所述的主星与绳结连接方向与旋转目标自旋主轴X轴的夹角θ为：

θ＝arccos(-x_t·r_sp)

其中，x_t代表旋转目标自旋主轴X轴在主星本体系下的分量，其计算公式如下：

x_t＝A_bt[1 0 0]^T

其中A_bt为旋转目标本体坐标系到主星本体坐标系的姿态转换矩阵。

较佳地，步骤2中，所述的控制目标为减小θ角，通过系绳张力的切换控制θ角。

较佳地，所述的系绳张力至少包含两档：10N、2N张力。

较佳地，当系绳处于张紧状态时，系绳张力对旋转目标产生的力矩方向e_t为：

e_t＝-(r_sp-r_st)×r_sp

当r_sp＝r_st时，表明系绳张力过旋转目标的质心，无力矩产生。

较佳地，使旋转目标自旋主轴X轴趋近于主星与绳结连接方向所需的力矩方向e_c为

e_c＝-x_t×r_sp

当x_t＝-r_sp时，所需力矩为0；

所需力矩方向e_c与实际张力提供力矩方向e_t夹角β为：

β＝arccos(e_c·e_t)

当β为锐角时，表明张力方向使得目标X轴趋近于主星-绳结方向所需的力矩方向，否则作用效果相反。

较佳地，步骤2进行控制目标时加入了5°的滞环，控制律为

力F作为控制指令，当θ大于15°且此时张力力矩能够降低θ角时，采用10N张力拉；其他情况采用2N张力拉。

空间碎片及故障失稳航天器占用轨道资源，利用飞网捕获目标后进行离轨是清除空间碎片和故障旋转目标的有效手段，但目标失效后常呈自旋章动状态，捕获后若不加以抑制极可能造成飞网系绳缠绕进而对主星造成安全威胁。飞网捕获目标后，主星与旋转目标之间只通过系绳连接，受力方向单一，是典型的欠驱动控制。

本发明基于飞网张力控制的旋转目标姿态角稳定策略，利用相对测量设备的测量信息，首先确定了表征旋转目标横向摆动的控制输入量，同时通过对每个控制周期系绳张力对旋转目标横向摆角的抑制效果确定了系绳张力的切换策略。并在此基础上引入了滞环，避免张力在阈值处的频繁切换，有效实现了基于飞网张力的旋转目标横向角速度抑制。本发明的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法可应用空间碎片或故障失稳航天器的移除。

附图说明

图1为本发明的主星、飞网、旋转目标相对关系示意图。

具体实施方式

本发明在建模过程中，将飞网与旋转目标的组合体模型等效为四条系绳与目标接触，然后集束在绳结处，通过主绳与主星相连。本发明的主要方案为通过控制主绳的张力来抑制旋转目标的横向摆动。

如图1所示，主星1通过主星系绳11与飞网2连接，飞网2另一端连接固定旋转目标3。所述的飞网2包含若干飞网系绳21(图1中显示的4根)，系绳的第一端211与旋转目标3连接模拟飞网与目标的接触，系绳的第二端集束成绳结22。主星系绳11两端分别连接主星1及绳结22，主星系绳11与主星连接部为下文所述的主星系绳连接处12。

本发明基于飞网张力控制的旋转目标姿态角稳定策略，主要在于基于飞网形成的多系绳目标组合体，利用飞网系绳张力实现对目标横向姿态摆动抑制。具体步骤如下：

步骤一、以主星与绳结连接方向、旋转目标(即旋转目标)与主星的相对姿态为输入，作为稳定控制的输入量。

所述的稳定控制的输入量的选取，进一步包括如下的步骤：利用近程相对测量及跟瞄测量手段，可以得到主星系绳连接处到绳结(简称主星-绳结连线)的指向r_sp、主星系绳连接处到旋转目标质心(简称主星-目标连线)的指向r_st、旋转目标本体系相对于主星本体系的欧拉角。

假设捕获后目标(即旋转目标)的主要自旋轴为本体X轴，可以得到目标X轴在主星本体系下的分量x_t：

x_t＝A_bt[1 0 0]^T

其中，A_bt为旋转目标本体系到主星本体坐标系的姿态转换矩阵。这样可以得到绳结与主星连线方向与x_t的夹角θ：

θ＝arccos(-x_t·r_sp)

当θ减小时，表明自旋方向趋近于主星-绳结连线方向，θ越小，飞网系绳与目标发生缠绕的可能性越小，反之越大。所以，可以确定将θ选取为基于张力控制的控制输入量。

步骤二、明确控制策略，以本时刻增大或降低飞网张力对旋转目标姿态造成的影响为判断依据。具体包括以下步骤：

当步骤一明确稳定控制输入量为θ后，主要控制目标为减小θ角。但是由于欠驱动问题的存在，同时系绳收放装置硬件的限制，难以将θ减小至0，所以控制目标为：将θ保持在一定的范围内，在避免缠绕的同时降低对执行机构的输出要求。

假设系绳收放装置能够提供的系绳(主绳)张力为10N与2N两档，一般2N张力用于保证飞网系绳处于时刻张紧状态，10N张力用来抑制系绳摆角，实现自旋方向在一定范围内的稳定控制。

系绳张紧时，系绳张力对旋转目标产生的力矩方向e_t可以估算得到：

e_t＝-(r_sp-r_st)×r_sp r_sp≠r_st

当r_sp＝r_st时，表明张力过目标质心，无力矩产生。

结合主星-绳结方向与旋转目标的X轴方向，可以计算得到使旋转目标X轴趋近于主星-绳结方向所需的力矩方向e_c为

e_c＝-x_t×r_sp x_t≠-r_sp

当x_t＝-r_sp时，所需力矩为0。

β＝arccos(e_c·e_t)

当所需力矩方向e_c与实际张力提供力矩方向e_t夹角β为锐角时，表明张力方向使得目标X轴趋近于主星-绳结方向所需的力矩方向，否则作用效果相反。

综上所述，所设计控制律为

其中，所述的力F是控制指令，作为声息收放装置的输入，else是指除了采用10N大张力的情况，其余情况保持2N小张力。

以上控制思路为：当θ大于15°且此时张力力矩能够降低θ角时，用大张力拉。此外为了避免张力在θ等于15°反复切换，加入了5°的滞环。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，该方法利用飞网捕获旋转目标，包含：

步骤1，输入主星与绳结连接方向、旋转目标与主星的相对姿态，作为稳定控制的输入参数；

步骤2，以本时刻增大或降低飞网张力对旋转目标姿态造成的影响为判断依据，明确控制目标。

2.如权利要求1所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，所述的主星与绳结连接方向是指主星-绳结连线的指向r_sp，所述的旋转目标与主星的相对姿态包含：主星-旋转目标连线的指向r_st、旋转目标本体系相对于主星本体系的姿态角。

3.如权利要求2所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，主星-绳结连线的指向r_sp、主星-旋转目标连线的指向r_st、旋转目标本体系相对于主星本体系的姿态角均通过近程相对测量和/或跟瞄测量手段测量。

4.如权利要求2所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，所述主星与绳结连接方向与旋转目标自旋主轴X轴的夹角θ为：

θ＝arccos(-x_t·r_sp)

其中，x_t代表旋转目标自旋主轴X轴在主星本体系下的分量，其计算公式如下：

x_t＝A_bt[1 0 0]^T

其中A_bt为旋转目标本体坐标系到主星本体坐标系的姿态转换矩阵。

5.如权利要求4所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，步骤2中，所述的控制目标为减小θ角，通过系绳张力的切换控制θ角。

6.如权利要求5所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，所述的系绳张力至少包含两档：10N、2N张力。

7.如权利要求6所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，当系绳处于张紧状态时，系绳张力对旋转目标产生的力矩方向e_t为：

e_t＝-(r_sp-r_st)×r_sp

当r_sp＝r_st时，表明系绳张力过旋转目标的质心，无力矩产生。

8.如权利要求7所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，使旋转目标自旋主轴X轴趋近于主星与绳结连接方向所需的力矩方向e_c为

e_c＝-x_t×r_sp

当x_t＝-r_sp时，所需力矩为0；

所需力矩方向e_c与实际张力提供力矩方向e_t夹角β为：

β＝arccos(e_c·e_t)

当β为锐角时，表明张力方向使得目标X轴趋近于主星-绳结方向所需的力矩方向，否则作用效果相反。

9.如权利要求8所述的基于飞网张力控制的旋转目标姿态稳定方法，其特征在于，步骤2进行控制目标时加入了5°的滞环，控制律为

力F作为控制指令，当θ大于15°且此时张力力矩能够降低θ角时，采用10N张力拉；其他情况采用2N张力拉。