一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法及系统转让专利
申请号 : CN202010148018.1
文献号 : CN111216928B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : 刘付成 , 姜泽华 , 刘禹 , 李辉雄 , 方圆 , 陈敏花 , 程浩
申请人 : 上海航天控制技术研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法,其特征在于包括如下步骤:步骤一:采用凯恩方法,对带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统建立动力学方程;带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统,包括:被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星、绳系、用于拖曳的主卫星和柔性太阳帆板;
步骤二:根据被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星的平衡状态,求取带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统的动力学方程的解,作为平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李雅普诺夫方法证明带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统的稳定,进行步骤三;
步骤三:设计连续常值小张力控制方式,抑制被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星的太阳帆板在拖曳过程中的振动,使振动低于设定的振动阈值,实现拖曳控制。
2.根据权利要求1所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法,其特征在于:步骤一实现方法为:采用凯恩方法对带有2个对称安装的太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统进行动力学建模,绳系在连接末端分叉成多根绳系连接在帆板末端,实现对整个带有太阳帆板的失效卫星的可靠连接。
3.根据权利要求1所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法,其特征在于:步骤二实现方法为:通过对带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统平衡状态的求解得到系统的平衡构型;通过对非线性方程在平衡解附近的线性化处理,将其转变为线性系统,并根据李雅普诺夫方法得到系统平衡状态的稳定性,从而掌握整个系统的动力学特点。
4.根据权利要求1所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法,其特征在于:步骤三实现方法为:考虑工程实现可行性,采用连续常值小张力控制方法抑制拖曳过程中太阳帆板的振动。
5.根据权利要求1所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法,其特征在于:还包括步骤四,步骤四采用步骤一所述的绳系拖曳系统动力学方程,使用连续常值小张力控制方法,采用数值方法进行仿真分析。
6.一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制系统,其特征在于包括建模模块、求取和证明模块、控制模块:
建模模块,采用凯恩方法,对带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统建立动力学方程;
带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统,包括:被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星、绳系、用于拖曳的主卫星和柔性太阳帆板;
求取和证明模块,根据被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星的平衡状态,求取带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统的动力学方程的解,作为平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李雅普诺夫方法证明带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统的稳定;
控制模块,设计连续常值小张力控制方式,抑制被拖曳的携带太阳帆板的失效卫星的太阳帆板在拖曳过程中的振动,使振动低于设定的振动阈值,实现拖曳控制。
7.根据权利要求6所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制系统,其特征在于:建模模块,采用凯恩方法对带有2个对称安装的太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统进行动力学建模,绳系在连接末端分叉成多根绳系连接在帆板末端,实现对整个带有太阳帆板的失效卫星的可靠连接。
8.根据权利要求6所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制系统,其特征在于:求取和证明模块,通过对带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统平衡状态的求解得到系统的平衡构型;通过对非线性方程在平衡解附近的线性化处理,将其转变为线性系统,并根据李雅普诺夫方法得到系统平衡状态的稳定性,从而掌握整个系统的动力学特点。
9.根据权利要求6所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制系统,其特征在于:控制模块中,考虑工程实现可行性,采用连续常值小张力控制方法抑制拖曳过程中太阳帆板的振动。
10.根据权利要求6所述的一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制系统,其特征在于:还包括仿真分析模块;仿真分析模块采用建模模块所述的绳系拖曳系统动力学方程,使用连续常值小张力控制方法,采用数值方法进行仿真分析。
说明书 :
一种携带太阳帆板的失效卫星绳系拖曳控制方法及系统
技术领域
背景技术
的大陆上空。随着航天器数量的日益增长,GEO轨道资源变得愈来愈紧缺,为保证航天活动
的可持续发展,应当及时清除失效的航天器,为在轨卫星提供安全和稳定的轨道环境。
变且对使用环境无特殊要求,因此被认为是清除空间失效卫星的有效方法之一。GEO轨道上
的失效航天器相较于其他航天器而言,往往尺寸更大,质量更重,且携带太阳帆板,帆板振
动会对系统的稳定带来极大影响。在对携带太阳帆板等柔性附件的失效航天器拖曳移除
前,需要充分考虑帆板振动对绳系拖曳系统的影响。
中太阳帆板由于其柔性特性带来的较大幅度振动将会对系统的安全和稳定带来极大影响。
此外,现有绳系拖曳控制方法在失效卫星的拖曳过程采用时变张力控制方式,张力的不断
改变将激励起失效卫星帆板的振动。
发明内容
拖曳离轨过程中的帆板振动控制,为清理空间大型失效卫星提供技术支撑。
系、用于拖曳的主卫星;
衡解两侧设定要求的范围)对动力学方程线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李
雅普诺夫方法证明带有太阳帆板的失效卫星绳系拖曳系统的稳定,进行步骤三;
现对整个带有太阳帆板的失效卫星的可靠连接。
转变为线性系统,并根据李雅普诺夫方法等线性系统稳定性分析方法得到系统平衡状态的
稳定性,从而掌握整个系统的动力学特点。
绳系、用于拖曳的主卫星;
力学方程线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李雅普诺夫方法证明带有太阳帆
板的失效卫星绳系拖曳系统的稳定;
带有太阳帆板的失效卫星的可靠连接。
变为线性系统,并根据李雅普诺夫方法等线性系统稳定性分析方法得到系统平衡状态的稳
定性,从而掌握整个系统的动力学特点。
方式,抑制被拖曳的失效卫星的太阳帆板在拖曳过程中的振动,使振动幅度低于设定的振
动阈值,实现拖曳控制。
中的主卫星推力器与绳系收放装置即可实现输出所需的连续常值小张力。
附图说明
具体实施方式
挠性的绳系拖曳控制方法,属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明实现方法为:建立失
效卫星的绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑帆板的振动对姿态的影响;根
据平衡状态的特点,求取系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李
雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;考虑工程可实现性,采用常值小
张力控制方法,并对拖曳过程进行MATLAB数值仿真分析。通过仿真结果分析证明了本发明
的动力学模型真实有效,能很好地反映太阳帆板振动的影响,控制方法有效地减小了拖曳
过程中太阳帆板的振动幅度。通过主卫星上的执行机构输出所需常值张力施加在携带太阳
帆板的失效卫星上,抑制失效卫星的太阳帆板在拖曳过程中的振动。本发明用于在对携带
太阳帆板的失效卫星进行飞网捕获后,拖曳离轨过程中的帆板振动控制,为清理空间大型
失效卫星提供技术支撑。
太阳帆板受力振动的问题,本发明在建立系统动力学方程时便充分考虑太阳帆板的受力振
动问题。此外,本发明提出采用连续常值小张力控制方式代替现有的时变张力控制方式,避
免了张力的频繁改变激励起太阳帆板的振动,同时该方法更容易在工程中实现。
绳系、用于拖曳的主卫星;
力学方程线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李雅普诺夫方法证明带有太阳帆
板的失效卫星绳系拖曳系统的稳定;
带有太阳帆板的失效卫星的可靠连接。
变为线性系统,并根据李雅普诺夫方法等线性系统稳定性分析方法得到系统平衡状态的稳
定性,从而掌握整个系统的动力学特点。
系、用于拖曳的主卫星,优选方案如下:
所需的连续常值小张力,在动力学方程中将主卫星简化为一个纯刚体。
于失效卫星两个对称安装的太阳帆板的四个角上,绳系连接方式如图1所示。
状态稳定。
则。上述坐标系的表述可参见图1绳系拖曳系统的轨道运动示意图
zak满足右手定则。上述坐标系的表述可参见图2绳系拖曳系统结构示意图。
主卫星本体系fb1(ob1xb1yb1zb1)的位置矢量为ρ,绳系与失效卫星的帆板的连接点Bi在失效卫
星的帆板k的本体坐标系下的位置矢量为ρBi。主卫星的姿态角表示为[φ1,θ1,ψ1],是主卫星
本体系相对于轨道系fo的欧拉角,表示在主卫星本体系fb1下。失效卫星中心体的姿态角记
为[φ2,θ2,ψ2],是失效卫星本体系相对于轨道系fo的欧拉角,表示在失效卫星本体系fb2下。
和qa2为柔性附件的前l阶模态坐标组成的l×1列阵,与时间有关,右上角标T表示矩阵的转
置。选取广义坐标的时间导数作为广义速率,并设置广义速率列阵为:
带有失效航天器的绳系拖曳系统中各个质量点进行动力学及运动学分析,得到由广义坐标
表示的整个带有失效航天器的绳系拖曳系统动力学方程:
系到惯性系的转换矩阵,逆矩阵表示为Aak,e;Aak,b2表示失效卫星本体系到第k个柔性附件本
体系的转换矩阵,逆矩阵为Ab2,ak;Kak和Cak分别为失效航天器上柔性附件k的模态刚度阵和
模态阻尼阵;rbak为柔性附件k未变形时ob2到其安装位置oak的位置矢量在fb2下的分量阵;
QR1,QR2和QR3分别表示主卫星,失效卫星和绳系分叉点B所受的广义外力的合力矩阵,表示在
惯性系下;Qωb1为主卫星合外力对ob1的力矩列阵,表示在主卫星本体系下;Qωb1为失效卫星
所受合外力对ob2的力矩列阵,表示在失效卫星本体系下;Qak为对应于广义坐标qak的广义外
力,表示在柔性附件k的本体系下。
线性化;然后根据线性化后的动力学方程,采用李雅普诺夫方法证明带有太阳帆板的失效
卫星绳系拖曳系统的稳定,进行步骤三,优选方案如下:
所示;
其偏离平衡位置的小量偏差。
论得出系统是稳定的结论。
下:
时变张力控制方式不断变化的绳系张力,大大减少了张力变化的频率,其中主绳张力由主
卫星的推力器和安装在主卫星上的绳系收放装置共同作用输出,四根子绳上的张力的合力
等于主绳的张力。
的风险。
值小张力控制方式的有效性。
系统参数,分别对带有太阳帆板的失效卫星施加传统的时变张力控制以及本发明中步骤三
所提出的连续常值张力控制,由仿真结果对比分析失效卫星帆板的振动情况。
了绳系质量、帆板振动、绳系振动以及轨道运动对系统姿态的影响。
李雅普诺夫方法判断了系统的稳定性,从而为绳系拖曳系统设计过程中参数的选取提供理
论指导,保证所选构型下系统的稳定性和安全性。
制实现张力稳定输出。
板的振动在脉冲作用时刻振幅增大,在无脉冲作用时刻振幅在帆板阻尼作用下逐渐减小,
由此带来的太阳帆板高频率较大幅度的振动极有可能导致太阳帆板的断裂。
时变张力控制时张力频繁改变导致的帆板高频振动现象的发生。
星的太阳帆板在拖曳过程中的振动,大大降低失效卫星的太阳帆板在拖曳过程中因高频率
振动导致的太阳帆板断裂的风险。