CN111552326A - 空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法及系统，属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明实现方法为：将碎片目标与绳网组合体采用刚体的假设后，采用刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；分析设计基于对机械能进行耗散的常值张力切换控制方法；通过测量绳结点距离两星连线的距离或观测系绳方向与两星之间连线的夹角间接地反映绳结点的运动，为切换张力控制方法的切换条件选取提供依据。本发明用于对空间碎片进行飞网捕获后拖曳离轨过程中对碎片目标的姿态章动进行快速、有效抑制，保证拖曳过程中不会发生系绳缠绕等风险，为安全、高效完成空间碎片主动清除任务提供技术支撑。

Description

空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法及系统，属于航天器姿态动力学与控制领域。

背景技术

空间碎片涵盖了火箭上面级、失效卫星、航天任务抛弃物及航天器解体或相互之间碰撞产生的衍生物等。如2009年美国铱星与俄罗斯卫星的碰撞致使 10cm以上的空间碎片增加了近3000个，大大增加了在轨航天器的安全风险。

为适应未来故障卫星回收、空间碎片清理等非合作目标捕获任务的需求，国内外研究机构提出了了一种柔性飞网为捕获手段的柔性捕获模式，其具有量轻、灵活性高和控制简单等优点，非常适合非合作目标的变轨任务。

绳网捕获目标后，拖船和碎片构成以系绳为连接介质的柔性组合体，拖船通过自身的平台控制和绳系收放装置控制，实现对碎片的拖曳离轨，并保证在拖曳过程中绳系系统不发生振荡发散、缠绕等情况。考虑到目标为非合作目标且被包裹时自旋情况不确定，认为其可能有一定的自旋角速度和一定角度的章动。为保证拖曳过程中不会发生系绳缠绕等风险，在对目标进行拖曳离轨前，应当对目标的章动角速率进行抑制，减弱拖曳过程中目标的章动对系统的影响。

现有技术均假设目标能够提供足够的运动状态信息，如目标姿态角速率，抓捕状态等。而对于空间碎片等非合作目标，现有技术仅能测得其姿态信息，基于当前测量技术的局限性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法及系统，对碎片目标章动抑制阶段控制方案进行分析和设计，首先采用碎片目标与绳系组合体为刚体的简化假设，研究组合体的运动物理规律，对控制方案进行总体设计。

本发明的技术解决方案是：空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，包括如下步骤：

通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；所述绳系拖曳系统包括拖船航天器，空间碎片和系绳；所述系绳包括主绳和子绳，所述主绳一端连接拖船航天器，另一端通过绳结点连接子绳；所述子绳有若干条，分别连接空间碎片的对应部位；

根据所述绳系拖曳系统的动力学模型，并基于对机械能进行耗散，获取切换张力控制律；

对所述绳结点的位置进行观测，将观测到的绳结点位置结合所述切换张力控制律对主绳的张力进行控制，实现对空间碎片目标姿态章动的控制。

进一步地，所述切换张力控制律为

其中，T为系绳的张力，T₁为需要维持的绳系张力，ΔT根据经验选取的张力增量，

为观测到的绳结点位置。

进一步地，所述对所述绳结点的位置进行观测的方法包括：测量绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离，或者测量主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

进一步地，所述绳结点的位置为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，r为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离。

进一步地，所述绳结点的位置为主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，α为系绳的主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，包括

第一模块，通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；所述绳系拖曳系统包括拖船航天器，空间碎片和系绳；所述系绳包括主绳和子绳，所述主绳一端连接拖船航天器，另一端通过绳结点连接子绳；所述子绳有若干条，分别连接空间碎片的对应部位；

第二模块，根据所述绳系拖曳系统的动力学模型，并基于对机械能进行耗散，获取切换张力控制律；

第三模块，对所述绳结点的位置进行观测，将观测到的绳结点位置结合所述切换张力控制律对主绳的张力进行控制，实现对空间碎片目标姿态章动的控制。

进一步地，所述切换张力控制律为

其中，T为系绳的张力，T₁为需要维持的绳系张力，ΔT根据经验选取的张力增量，

为观测到的绳结点位置。

进一步地，所述对所述绳结点的位置进行观测，具体的的方法包括：测量绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离，或者测量主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

进一步地，所述绳结点的位置为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，r为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离。

进一步地，所述绳结点的位置为主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，α为系绳的主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明充分考虑到现有的时变张力控制方法对测量设备和执行机构的性能要求太高，目前难以在工程项目中应用，提出采用常值切换张力控制方法，以一组两个大小不同的恒定张力抑制碎片目标的姿态章动，具有较强的工程实现性。

(2)本发明充分考虑到空间碎片等非合作目标姿态角速率以及抓捕状态等信息不易测得，提出测量其他相关量间接地反映绳结点运动的测量方法。

附图说明

图1为本发明的参考系示意图；

图2为本发明的绳结点距离示意图；

图3为本发明的系绳方向与两星之间连线的夹角示意图；

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1～4，一种空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，包括如下步骤：

通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；所述绳系拖曳系统包括拖船航天器，空间碎片和系绳；所述系绳包括主绳和子绳，所述主绳一端连接拖船航天器，另一端通过绳结点连接子绳；所述子绳有若干条，分别连接空间碎片的对应部位；

根据所述绳系拖曳系统的动力学模型，并基于对机械能进行耗散，获取切换张力控制律；

对所述绳结点的位置进行观测，将观测到的绳结点位置结合所述切换张力控制律对主绳的张力进行控制，实现对空间碎片目标姿态章动的控制。

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

步骤一：通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型。

将碎片目标与绳网组合体采用刚体的假设后，采用刚体旋转运动的欧拉方程研究其动力学特性，进而进行控制方案设计。欧拉方程为：

其中，I_x，I_y，I_z分别为相对于刚性组合体(碎片目标与绳网组合体)的三个惯性主轴的转动惯量，ω_x，ω_y，ω_z为组合体绝对角速度在组合体本体参考系下的三个分量。

当刚性组合体没有受到外力矩的作用时，式(1)可写为

假设刚性组合体绕其y轴自由转动，理想状态为ω_x＝ω_z＝ω_t＝0，ω_y＝ω_s为平衡状态。当角速度存在小扰动，角速度变为ω_x＝Δω_x，ω_y＝ω_s+Δω_y，ω_z＝Δω_z，代入式(2)中并只保留Δω_x，Δω_y和Δω_z的一阶小量，得

式(3)中第二个方程是独立的，并且中立稳定，表明自旋角速度ω_s随意稳定。式(3)第一个和第三个方程直接影响刚性组合体自旋轴的指向，其系统特征方程为

s²I_xI_y+(I_y-I_z)(I_y-I_x)＝0 (4)

由线性系统稳定性理论可知，当

(I_y-I_z)(I_y-I_x)>0 (5)

时，即I_y>I_z，I_y>I_x，y轴为最大转动惯量轴，或者I_y<I_z，I_y<I_x，y轴为最小转动惯量轴时，Δω_x，Δω_z是维持等幅振荡的中立稳定形式；当

(I_y-I_z)(I_y-I_x)<0 (6)

时，即I_x>I_y>I_z或I_x<I_y<I_z时，y轴为中间转动惯量轴时，Δω_x，Δω_z是以指数形式发散，横向角速度迅速增加，导致自旋轴翻滚。

所以刚性组合体绕最大惯量主轴和绕最小惯量主轴的转动是稳定的，绕中惯量主轴的转动是不稳定的。而考虑了结构阻尼导致的能量耗散后，组合体无论初始转动状态如何，最终都会转变成绕最大惯量主轴进行旋转，但是这个过程是缓慢的。对于主动清除空间碎片的任务目标，必须施加主动控制，即对组合体施加外力矩的作用，才能使章动角速率抑制的过程控制在工程任务允许的时间范围内。

步骤二：设计基于对机械能进行耗散的常值拉力切换控制方法，给出切换张力控制律。

由于系绳尺寸相比于碎片和拖船较大，所以可以将拖船和碎片的姿态变化对系绳摆动的影响忽略，当主动星和目标星相对位置不变时，可以近似认为系绳张力方向为恒定。据此，可以选取一个参考系，该参考系的坐标原点位于目标星本体的质心上，z轴沿着目标星与主动星的连线方向指向主动星，如图1 所示。根据前面的假设，该坐标系的z轴指向与系绳张力方向相同。图1中θ角为目标星质心与绳结点连线与选取的参考系z轴间的夹角。

在图1的坐标系中观察目标在系绳张力作用下的姿态运动，实际上是观察目标相对于系绳方向的姿态运动，优点在于在主动星和目标星相对方向基本不变时，可以不考虑系绳空间指向的影响，简化分析过程。若在此基础上将系绳张力大小固定，则系绳张力对目标的影响可以等效为一个有势力的作用，张力在该参考系中所作的功只与绳结点在该参考系下的初末z轴位置有关。与此同时，在该参考系下张力的势能与目标星的转动动能之和所代表的机械能是守恒的，也就是张力所做功会全部转化为目标星的转动动能，即：

其中T为系绳的张力，d为绳结点与目标星质心的距离，θ为目标星质心与绳结点的连线与z轴的夹角，

为目标星的转动动能。

基于以上分析，我们给出基于对机械能E进行耗散的控制方法。为了保证系绳始终张紧，避免松弛，在控制过程中维持系绳张力T₁，此时机械能 E＝E₁＝const为常值，即

当绳结点沿着参考系z轴的正方向移动时，

此时维持系绳张力T₁；当绳结点沿着参考系z轴的负方向移动时，

此时将系绳的张力适当增大到T₂＝T₁+ΔT，此时增大的张力ΔT做负功，耗散机械能E。综上，给出的切换张力控制律为：

在该控制律的作用下，将始终保证

半负定。此外，由于机械能E存在下界，根据Barbalat引理与Lyapunov稳定性理论，可以得知控制的最终结果为：

而

对应的即是固定系绳张力大小的情况，亦即

又因为z存在上界，所以最终的控制结果为

即绳结点的运动轨迹最终会趋于参考系中垂直于z轴平面中的一个圆。至此，该控制律的稳定性便得到了证明。

步骤三:测量绳结点距离两星连线的距离和观测系绳方向与两星之间连线的夹角间接地反映绳结点的运动，为切换张力控制方法的切换条件选取提供依据，使其具有较强的工程可实现性。

上述控制方法需要对绳结点的位置进行观测，而对于抓捕后的空间碎片等非合作目标，仅能够测得其姿态信息，姿态角速率以及抓捕状态都不易于测得，所以无法通过对目标星运动的测量反求绳结点的运动。而上述控制方法仅需要观测绳结点沿两星连线方向的移动方向，可以通过测量其它的相关量间接地反映绳结点的运动。一种方法是测量绳结点距离两星连线的距离r，如图2所示。

当绳系点与两星连线的距离r增大时，即

对应于

的情况，系绳张力应当取T₂＝T₁+ΔT；而r减小时，即

对应于

的情况，系绳张力应取T₁，即切换控制律变为：

另一种方式是通过观测系绳方向与两星之间连线的夹角α，如图3所示：

当系绳方向与两星之间连线的夹角α增大时，对应于

的情况，系绳张力应当取T₂＝T₁+ΔT，而α减小时，对应于

的情况，系绳张力应取T₁，即切换张力控制律变为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；所述绳系拖曳系统包括拖船航天器，空间碎片和系绳；所述系绳包括主绳和子绳，所述主绳一端连接拖船航天器，另一端通过绳结点连接子绳；所述子绳有若干条，分别连接空间碎片的对应部位；

根据所述绳系拖曳系统的动力学模型，并基于对机械能进行耗散，获取切换张力控制律；

对所述绳结点的位置进行观测，将观测到的绳结点位置结合所述切换张力控制律对主绳的张力进行控制，实现对空间碎片目标姿态章动的控制。

2.根据权利要求1所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，其特征在于：所述切换张力控制律为

其中，T为系绳的张力，T₁为需要维持的绳系张力，ΔT根据经验选取的张力增量，

为观测到的绳结点位置。

3.根据权利要求2所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，其特征在于，所述对所述绳结点的位置进行观测的方法包括：测量绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离，或者测量主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

4.根据权利要求3所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，其特征在于，所述绳结点的位置为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，r为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离。

5.根据权利要求3所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制方法，其特征在于：所述绳结点的位置为主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，α为系绳的主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

6.空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，其特征在于：包括

第一模块，通过刚体旋转运动的欧拉方程建立绳系拖曳系统的动力学模型；所述绳系拖曳系统包括拖船航天器，空间碎片和系绳；所述系绳包括主绳和子绳，所述主绳一端连接拖船航天器，另一端通过绳结点连接子绳；所述子绳有若干条，分别连接空间碎片的对应部位；

第二模块，根据所述绳系拖曳系统的动力学模型，并基于对机械能进行耗散，获取切换张力控制律；

第三模块，对所述绳结点的位置进行观测，将观测到的绳结点位置结合所述切换张力控制律对主绳的张力进行控制，实现对空间碎片目标姿态章动的控制。

7.根据权利要求6所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，其特征在于：所述切换张力控制律为

其中，T为系绳的张力，T₁为需要维持的绳系张力，ΔT根据经验选取的张力增量，

为观测到的绳结点位置。

8.根据权利要求7所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，其特征在于，所述对所述绳结点的位置进行观测，具体的的方法包括：测量绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离，或者测量主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

9.根据权利要求8所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，其特征在于，所述绳结点的位置为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，r为绳结点距离拖船航天器和空间碎片连线的距离。

10.根据权利要求9所述的空间碎片绳系拖曳离轨目标姿态章动抑制控制系统，其特征在于：所述绳结点的位置为主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角时，对主绳的张力进行控制的方法为：根据

进行控制；其中，α为系绳的主绳的方向与拖船航天器和空间碎片连线的夹角。

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