CN113935148B - 一种系绳释放过程绳长修正方法和系统 - Google Patents

一种系绳释放过程绳长修正方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种系绳释放过程绳长修正方法和系统，该方法包括：将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段；确定绳速波动量和绳长波动量；判断绳长波动量是否满足预设条件；根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间进行修正，得到匀速段的实际释放时间。本发明通过加速段的期望释放长度与实际释放长度的比对，提前预估减速段可能的实际释放长度，将加速段及减速段产生的绳长偏差在匀速段进行修正，实现了系绳释放长度的被动调整，避免了释放到位后再次调整系绳释放速度导致的一系列问题，简化了释放过程绳长控制。

Description

一种系绳释放过程绳长修正方法和系统
技术领域
本发明属于控制技术领域，尤其涉及一种系绳释放过程绳长修正方法和系统。
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，通常给定期望的释放长度。为了满足释放过程尽量平稳，需对释放过程进行规划。
系绳释放装置由于存在时延、波动及随机误差等，导致实际系绳释放速度及释放长度与期望值相比有一定偏差。目前文献所能查到的系绳释放通常没有直接考虑系绳释放装置的跟踪误差，即没有考虑实际释放长度与期望长度之间的偏差。
此外，为了修正释放过程系绳长度偏差，目前文献通常采用释放到位后对系绳长度进行闭环控制；这一方面需要再次引入系绳释放装置的回收或者释放动作，破坏系统稳定性；另一方面，调整系绳释放速度，可能引入张力，对母星及子星姿态造成扰动。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种系绳释放过程绳长修正方法和系统，通过加速段的期望释放长度与实际释放长度的比对，提前预估减速段可能的实际释放长度，将加速段及减速段产生的绳长偏差在匀速段进行修正，实现了系绳释放长度的被动调整，避免了释放到位后再次调整系绳释放速度导致的一系列问题，简化了释放过程绳长控制。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种系绳释放过程绳长修正方法，包括：
根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段；
根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量；
根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量；
判断绳长波动量是否满足预设条件；
根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量，包括：
对加速段系绳的期望释放速度与实际释放速度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度和实际释放速度其中，h表示采样步长，k表示第k个采样点；
根据和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度与实际释放速度的速度偏差
对速度偏差进行平均，得到绳速波动量
其中，N1表示加速段全过程的采样个数。
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量，包括：
对加速段系绳的期望释放长度与实际释放长度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度l1(kh)和实际释放长度
根据l1(kh)和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度与实际释放长度的长度偏差Δl1(kh)：
对长度偏差Δl1(kh)进行平均，得到绳长波动量Δl1 *：
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，预设条件，包括：
其中，表示关于变量的同级小量。
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和/或减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间包括：
若绳长波动量满足则选择绳速波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
若绳长波动量满足则选择绳长波动量，并结合减速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，当选择绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h；
确定减速段的采样长度：N2h；其中，N2表示减速段全过程的采样个数；
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
其中，表示匀速段系绳的期望释放速度。
在上述系绳释放过程绳长修正方法中，当选择绳长波动量，并结合减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h；并得到在采样长度N1h内加速段系绳的实际释放长度和期望释放长度l1d；
确定减速段的采样长度：N2h；其中，N2表示减速段全过程的采样个数；
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
其中，表示匀速段系绳的期望释放速度。
相应的，本发明还公开了一种系绳释放过程绳长修正系统，包括：
阶段划分模块，用于根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段；
第一确定模块，用于根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量；
第二确定模块，用于根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量；
判断模块，用于判断绳长波动量是否满足预设条件；
修正模块，用于根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种系绳释放过程绳长修正方案，通过加速段的期望释放长度与实际释放长度的比对，提前预估减速段可能的实际释放长度，将加速段及减速段产生的绳长偏差在匀速段进行修正，实现了系绳释放长度的被动调整，避免了释放到位后再次调整系绳释放速度导致的一系列问题，简化了释放过程绳长控制。
(2)本发明公开了一种系绳释放过程绳长修正方案，为一种被动修正绳长方法，不主动改变系绳释放速度，从而减少了释放速度波动导致的系绳张力，有利于母星及子星的姿态控制。
附图说明
图1是本发明实施例中一种系绳释放过程绳长修正方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种系绳释放过程绳长修正方法下释放过程速度曲线图；
图3是本发明实施例中一种系绳释放过程绳长修正方法下释放过程绳长曲线图；
图4是本发明实施例中一种系绳释放过程绳长修正方法下系绳张力曲线图；
图5是本发明实施例中一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
图6是本发明实施例中又一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
图7是本发明实施例中一种系绳释放过程绳长修正系统的框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
目前，系绳释放过程多采用主动系绳释放长度控制方法，考虑到该方法下容易引入系绳张力，对系绳端航天器姿态造成较大扰动，因此提出了被动的绳长修正方法，即本发明实施例所述的系绳释放过程绳长修正方法。
由于系绳释放装置存在非线性、波动量及随机误差等干扰，导致系绳在轨实际释放速度难以完全跟踪期望的系绳释放速度，释放的系绳长度与期望值将有较大偏差。因此，需要对绳长进行在轨修正。由于系绳释放装置模型未知，根据加速段期望速度与实际速度的偏差，以及期望长度与实际长度的偏差对后续的减速段可能产生的系绳释放长度偏差进行预估，并将加速段与减速段产生的系绳偏差在匀速段进行修正。由于系绳张力对系绳释放速度较敏感，因此主要修正的是匀速段的时间。
如图1，该系绳释放过程绳长修正方法，包括：
步骤101，根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段。
在本实施例中，系绳释放全过程的期望释放总长度为ld；加速段系绳的期望释放长度为l1d、期望释放速度为匀速段系绳的期望释放速度为期望释放时间为ΔT；减速段系绳的期望释放长度为l2d、期望释放速度为其中，和是与时间t相关的变量，为常值。
步骤102，根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量。
在本实施例中，一种可行的绳速波动量的求解过程如下：
首先，对加速段系绳的期望释放速度与实际释放速度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度和实际释放速度其中，h表示采样步长，k表示第k个采样点。
然后，根据和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度与实际释放速度的速度偏差
最后，对速度偏差进行平均，得到绳速波动量
其中，N1表示加速段全过程的采样个数。
需要说明的是，由于在全过程求平均，故可将对速度偏差进行平均后得到的均值作为系绳释放装置引入的绳速波动量。进一步的，可以结合减速段的采样个数N2，预估减速段由于绳速波动量引入的系绳释放长度偏差为进而，可将系绳释放加速段及减速段产生的偏差计入匀速段进行修正。
步骤103，根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量。
在本实施例中，一种可行的绳长波动量的求解过程如下：
首先，对加速段系绳的期望释放长度与实际释放长度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度l1(kh)和实际释放长度
然后，分析绳系系统模型非线性特性，根据l1(kh)和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度与实际释放长度的长度偏差Δl1(kh)：
最后，对长度偏差Δl1(kh)进行平均，得到绳长波动量Δl1 *：
步骤104，判断绳长波动量是否满足预设条件。
在本实施例中，预设条件主要可以包括如下两方面：
其中，表示关于变量的同级小量；表示远大于如
步骤105，根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
在本实施例中，若绳长波动量满足则选择绳速波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间若绳长波动量满足则选择绳长波动量，并结合减速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
优选的，当选择绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h。
确定减速段的采样长度：N2h。
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
当选择绳长波动量，并结合减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h；并得到在采样长度N1h内加速段系绳的实际释放长度和期望释放长度l1d。
确定减速段的采样长度：N2h。
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
在上述实施例的基础上，下面通过一个试验验证对本发明所述的系绳释放过程绳长修正方法进行说明。
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，期望绳长为800m。通过本发明所述的系绳释放过程绳长修正方法进行修正后的仿真结果如图2～4所示，可见，对匀速释放段时间进行修正后，释放到位后实际绳长为800m，与期望绳长一致，且释放过程系绳无回弹无缠绕。
其中，需要说明的是，该系绳释放过程绳长修正方法可应用于绳系卫星系统。如图5～6，绳系卫星系统包括但不仅限于：子星、母星和系绳。其中，子星和母星通过系绳连接；当子星在母星上方时，绳系卫星为母星；当母星在子星上方时，绳系卫星为子星。系绳的摆动角度记作摆角，包括面内角和面外角。常值推力作用在绳系卫星上，实现对摆角的控制。
在上述实施例的基础上，如图7，本发明还公开了一种系绳释放过程绳长修正系统，包括：阶段划分模块701，用于根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段。第一确定模块702，用于根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量。第二确定模块703，用于根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量。判断模块704，用于判断绳长波动量是否满足预设条件。修正模块705，用于根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，包括：
根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段；
根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量；包括：对加速段系绳的期望释放速度与实际释放速度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度和实际释放速度根据和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放速度与实际释放速度的速度偏差对速度偏差进行平均，得到绳速波动量其中，h表示采样步长，k表示第k个采样点；
根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量；包括：对加速段系绳的期望释放长度与实际释放长度进行采样，得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度l1(kh)和实际释放长度根据l1(kh)和计算得到加速段任一采样时刻系绳的期望释放长度与实际释放长度的长度偏差Δl1(kh)；对长度偏差Δl1(kh)进行平均，得到绳长波动量Δl1 *；
判断绳长波动量是否满足预设条件；
根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
2.根据权利要求1所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，
其中，N1表示加速段全过程的采样个数。
3.根据权利要求2所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，预设条件，包括：
其中，表示关于变量的同级小量。
5.根据权利要求4所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和/或减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间包括：
若绳长波动量满足则选择绳速波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
若绳长波动量满足则选择绳长波动量，并结合减速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
6.根据权利要求5所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，当选择绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h；
确定减速段的采样长度：N2h；其中，N2表示减速段全过程的采样个数；
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
其中，表示匀速段系绳的期望释放速度。
7.根据权利要求5所述的系绳释放过程绳长修正方法，其特征在于，当选择绳长波动量，并结合减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间时，有：
确定加速段的采样长度：N1h；并得到在采样长度N1h内加速段系绳的实际释放长度和期望释放长度l1d；
确定减速段的采样长度：N2h；其中，N2表示减速段全过程的采样个数；
根据下式对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
其中，表示匀速段系绳的期望释放速度。
8.一种用于实现如权利要求1所述方法的系绳释放过程绳长修正系统，其特征在于，包括：
阶段划分模块，用于根据系绳释放速度，将绳系卫星系统的系绳释放全过程划分为三个阶段：加速段、匀速段和减速段；
第一确定模块，用于根据加速段系绳的期望释放速度和实际释放速度，确定绳速波动量；
第二确定模块，用于根据加速段系绳的期望释放长度和实际释放长度，确定绳长波动量；
判断模块，用于判断绳长波动量是否满足预设条件；
修正模块，用于根据绳长波动量与预设条件的判断结果，选择绳速波动量或绳长波动量，并结合加速段和减速段的采样长度，对匀速段的期望释放时间ΔT进行修正，得到匀速段的实际释放时间
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