CN113325860B - 一种带有初速度的系绳释放、回收轨迹优化方法 - Google Patents

Abstract

一种带有初速度的系绳释放、回收轨迹优化方法，根据系绳初始释放长度及速度，基于正弦函数设计系绳释放加速度及减速段，根据目标绳长设计匀速释放段，正弦函数周期及幅值保证绳系系统稳定，并满足系绳张力大于零的约束。上述各阶段的加速度计算仅考虑系绳释放的情况，对于系绳回收过程，系绳实际长度为当前长度，回收加速度设计原理类似。

Description

一种带有初速度的系绳释放、回收轨迹优化方法

技术领域

本发明属于控制领域，涉及一种绳系卫星在轨释放/回收系绳的方法。

背景技术

绳系组合体通常为组合体形式发射入轨。系绳在轨逐渐释放，直至释放到给定长度，构成稳定的绳系系统。系绳释放过程，为了实现绳系卫星在轨稳定展开，不仅要保证系绳释放过程系绳始终绷紧，还要保证释放到位后摆角尽量小。此外，系绳释放过程在张力作用下，航天器姿态在干扰力矩作用下姿态有偏置，为了保证释放过程航天器仍能有一定通讯或能源保障，要求释放过程系绳张力尽量小。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种带有初速度的系绳释放、回收轨迹优化方法。

本发明的技术解决方案是：一种带有初速度的系绳释放轨迹优化方法，包括如下步骤：

S1、根据系绳释放过程张力大于零的特点，确定系绳释放加速度结合系绳初始的长度l₀，确定设计的系绳最大释放加速度/>

S2、选取正弦函数曲线作为系绳释放的加速度，根据系绳稳定允许的最大系绳释放速度以及设计的系绳最大释放加速度/>确定加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂；

S3、确定系绳匀速释放的时间ΔT，判断是否满足ΔT<0，若满足，则令ΔT＝0，并根据期望的系绳释放长度l_d调整最大系绳释放加速度，并对应调整加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂，转步骤S4；否则直接转步骤S4；

S4、根据加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂以及匀速释放时间ΔT，选取系绳释放过程中加速段、减速段的时间，按照系绳释放加速度采用正弦函数形式设计加速段、匀速段以及减速段对应的系绳释放加速度速度/>以及系绳长度l。

优选的，S1中释放加速度最大值优选其中/>为系绳释放机构能力范围内允许的最大系绳释放加速度；若/>更新/>为最大释放加速度，即/>

优选的，S2中的加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂均在范围内选取。

优选的，S2中正弦函数形式为分别对应加速段、减速段系绳的释放加速度；i＝1时代表加速段，/>i＝2时代表减速段，/>式中，t代表时间，系绳初始的长度l₀及释放速度/>

优选的，S3中系绳匀速释放的时间

优选的，S3中调整最大系绳释放加速度如下：

优选的，S3中调整加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂公式如下：

在上述范围内选择周期T₁和T₂。

优选的，当选取的加速段和减速段的周期均为T时，加速段、匀速段、减速段内系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度/>和绳长l，分别如下：

加速段，时间[t₁,t₂]，

匀速段，时间[t₂,t₃]，

减速段，时间[t₃,t₄]，

其中t₁为系绳释放开始时间，t₃＝t₂+ΔT，/>系绳释放加速度

一种带有初速度的系绳回收轨迹优化方法，包括如下步骤：

S1、根据系绳回收过程张力大于零的特点，确定系绳回收加速度结合系绳初始的长度l₀ ^-，确定设计的系绳最大回收加速度/>

S2、选取正弦函数曲线作为系绳回收的加速度，根据系绳稳定允许的最大系绳回收速度以及设计的系绳最大回收速度/>确定正弦函数的周期T；

S3、确定系绳匀速回收的时间ΔT，若ΔT>0，则转步骤S4；否则，更新设计的最大系绳回收加速度并令ΔT＝0，转步骤S4；

S4、根据确定的正弦函数的周期T以及系绳匀速回收的时间ΔT，选取系绳回收过程中加速段、减速段的时间，按照系绳回收加速度采用正弦函数形式设计加速段、匀速段以及减速段回收的系绳加速度、速度以及系绳长度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

目前文献所能查到的系绳展开过程通常是按照指数函数规划，分为指数函数加速、匀速及指数函数减速。或者按照给定的边界约束进行优化。上述系绳释放过程通常关注边界条件，如释放长度、释放摆角等，难以直接设计释放过程中的张力，本方法采用不对称正弦函数规划释放加速度，与以往的方法具有本质的不同。

(1)本发明提出的考虑初速度的系绳释放，保证了释放过程对张力的激励尽量小，从而保证了对绳端卫星姿态扰动尽量小,这与以往仅考虑释放长度的方法相比，具有很大的创新性。

(2)本发明提出的不对称式三角函数释放系绳方法，综合考虑了系绳初始释放速度、释放过程摆角稳定性能及绳系系统构型稳定性等约束，合理设计正弦函数周期T及幅值，即释放过程最大加速度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为实施例中指数函数下释放过程速度及绳长曲线

图3为实施例中本发明方法下释放过程速度及绳长曲线；

图4为实施例中指数函数下释放过程摆角曲线；

图5为实施例中本发明方法下释放过程摆角曲线；

图6为实施例中指数函数下系绳张力曲线；

图7为实施例中本发明方法下系绳张力曲线；

图8为实施例中本发明方法下释放下系绳两端张力曲线；

图9为实施例中本发明方法释放下绳系系统面内外摆角示意图。

具体实施方式

目前，系绳释放过程多采用指数函数规划系绳释放速度，考虑到该方法下摆角及系绳张力较大，对系绳端航天器姿态造成较大扰动，且释放到位后由于摆角较大，带来系绳缠绕等风险，因此提出了基于正弦函数设计系绳释放速度的方法，如图1所示，步骤如下：

本发明中，系绳释放加速度采用不对称的正弦函数形式，即释放加速段和释放减速段采用的正弦函数幅值及周期不对称，分别取值为/>其中T₁和T₂分别为加速段1和减速段2正弦函数周期，即为待规划的周期；i＝1时，/>i＝2时， 为系绳释放最大加速度。

根据张力方程释放过程张力大于零，即/>系绳释放初始长度l₀，系绳释放过程最大摆角记为/>根据稳定构型需求，选取最大释放加速度/>记为系绳释放机构最大加速度，受限于系绳释放机构能力，为已知值。若/>更新最大释放加速度为/>

考虑系绳绷紧的限制，假设允许的最大释放速度为加速段和减速段之间的匀速时间(即滑行时间)为ΔT。根据/>因此释放函数周期满足根据/>则/>在上述范围内选择周期T₁和T₂。进一步根据需要释放的系绳长度l_d确定匀速时间ΔT，/>

如果上述计算得到的滑行时间ΔT<0，显然不可取，则令ΔT＝0，根据匀速时间的计算公式与ΔT＝0对应的有/>更新最大系绳释放速度为/>

加速段及减速段对应的三角函数周期可以不同，根据减速过程张力约束调整。下面的介绍中以其中一种特例，加速时间和减速周期均为T时进行说明。

系绳释放轨迹设计推导过程如下：

(1)加速段：[t₁ t₂]，t₁为系绳释放开始时间，系绳初始长度l₀及释放速度/> 将加速度/>在时间段[t₁ t₂]上对时间积分，经计算可得同样对速度/>在时间段[t₁ t₂]上对时间积分，可得在时间t₁和t₂点分别有，/> l(t₁)＝l₀，/>

(2)匀速段：[t₂ t₃]，t₃＝t₂+ΔT；经计算，/> 其中，/>

(3)减速段：[t₃ t₄]，加速度/>经在时间段[t₃ t₄]上对加速度/>分别进行一次积分和二次积分，可得速度和绳长分别为和

其中，

系绳释放机构按照上述速度跟踪控制。

上述各阶段的加速度计算仅考虑系绳释放的情况，对于系绳回收过程，系绳实际长度为当前长度，回收加速度设计原理类似。

本发明提出的释放系绳方法可推广引用于系绳回收过程。系绳释放加速度此时应为回收加速度，取值为非正数。具体步骤如下：

S1、根据系绳回收过程张力大于零的特点，确定系绳回收加速度结合系绳初始的长度l₀ ^-，确定设计的系绳最大回收加速度/>

S2、选取正弦函数曲线作为系绳回收的加速度，根据系绳稳定允许的最大系绳回收速度以及设计的系绳最大回收速度/>确定正弦函数的周期T；

S3、确定系绳匀速回收的时间ΔT，若ΔT>0，则转步骤S4；否则，更新设计的最大系绳回收加速度并令ΔT＝0，转步骤S4；

S4、根据确定的正弦函数的周期T以及系绳匀速回收的时间ΔT，选取系绳回收过程中加速段、减速段的时间，按照系绳回收加速度采用正弦函数形式设计加速段、匀速段以及减速段回收的系绳加速度、速度以及系绳长度。

实施例：

设定动力学仿真步长为250ms，控制器采样及控制周期为0.1s，系绳初始绳长为100m，系绳初始释放速度为0.34m/s,期望绳长800m。对指数函数释放系绳轨迹方法与本专利所提方法进行比较。根据仿真结果，如图2-图4所示，指数函数下释放系绳，系绳张力曲线及释放到位后的摆角曲线均比较大，对卫星姿态产生较大干扰。采用本专利所提方法进行系绳释放，如图5-图9所示，系绳释放过程系绳张力较小，且释放到位后摆角较小，满足卫星姿态扰动较小的需求。释放过程系绳无回弹无缠绕。

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 (6)

1.一种带有初速度的系绳释放轨迹优化方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、根据系绳释放过程张力大于零的特点，确定系绳释放加速度结合系绳初始的长度l₀，确定设计的系绳最大释放加速度/>

S2、选取正弦函数曲线作为系绳释放的加速度，根据系绳稳定允许的最大系绳释放速度以及设计的系绳最大释放加速度/>确定加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂；

S3、确定系绳匀速释放的时间ΔT，判断是否满足ΔT＜0，若满足，则令ΔT＝0，并根据期望的系绳释放长度l_d调整最大系绳释放加速度并对应调整加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂，转步骤S4；否则直接转步骤S4；

S3中系绳匀速释放的时间 系绳初始的长度l₀及释放速度/>

S4、根据加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂以及匀速释放时间ΔT，选取系绳释放过程中加速段、减速段的时间，按照系绳释放加速度采用正弦函数形式设计加速段、匀速段以及减速段对应的系绳释放加速度速度/>以及系绳长度l。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S1中释放加速度最大值为其中/>为系绳释放机构能力范围内允许的最大系绳释放加速度；若/>更新/>为最大释放加速度，即/>

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S2中的加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂均在范围内选取。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S3中调整最大系绳释放加速度如下：

其中，系绳初始的长度为l₀及释放速度为

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S3中调整加速段、减速段正弦函数的周期T₁、T₂公式如下：

在上述范围内选择周期T₁和T₂；

其中，系绳初始的释放速度为

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：当选取的加速段和减速段的周期均为T时，加速段、匀速段、减速段内系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度/>和绳长l，分别如下：

加速段，时间[t₁,t₂]，

匀速段，时间[t₂,t₃]，

减速段，时间[t₃,t₄]，

其中t₁为系绳释放开始时间，t₃＝t₂+ΔT，/>系绳释放加速度