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绳系卫星系统复杂模型研究

宇航学报 1999年第3期20卷 7-12页

作者：朱仁璋雷达林华宝北京航空航天大学宇航学院北京100083 中国空间技术研究院北京100081

对绳系卫星系统提出一种仿真度更高的动力学模型，着重研究状态保持阶段的子星的振荡与姿态运动。主星设为质点，与系统质心相合，作圆轨道运动；子星取为三维刚体；系绳采用珠式模型。除绳系系统动能、引力位能及系绳弹性势能外，... 详细信息

对绳系卫星系统提出一种仿真度更高的动力学模型，着重研究状态保持阶段的子星的振荡与姿态运动。主星设为质点，与系统质心相合，作圆轨道运动；子星取为三维刚体；系绳采用珠式模型。除绳系系统动能、引力位能及系绳弹性势能外，还考虑了系绳的结构阻尼，以及由系绳外包皮引起的弯曲力矩与扭转力矩。计算机辅助推导参与模拟计算程序设计。

关键词：绳系卫星系统动力学复杂模型

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时变自由度绳系卫星系统动力学

力学学报 2010年第5期42卷 926-932页

作者：余本嵩文浩金栋平南京航空航天大学振动工程研究所飞行器结构力学与控制教育部重点实验室南京210016

建立了针对无限维的黏弹性两体绳系卫星系统的时变动力学模型.当系绳释放时,卫星中系绳所对应的离散集中质量由星内移至星外,导致绳系卫星系统的自由度发生改变,成为时变的多自由度绳系卫星系统.基于改进的有限差分法,研究了判定系统自... 详细信息

建立了针对无限维的黏弹性两体绳系卫星系统的时变动力学模型.当系绳释放时,卫星中系绳所对应的离散集中质量由星内移至星外,导致绳系卫星系统的自由度发生改变,成为时变的多自由度绳系卫星系统.基于改进的有限差分法,研究了判定系统自由度发生变化的方法及时变自由度绳系卫星系统动力学响应的计算方法.结果表明,所提出的计算时变自由度系统动力学响应的方法,实现了绳系卫星系统释放动力学行为的数值模拟.

关键词：绳系卫星系统黏弹性绳时变自由度有限差分法动力学

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基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制

航空学报 2010年第3期31卷 572-578页

作者：钟睿徐世杰北京航空航天大学宇航学院北京100191

讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨,用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线... 详细信息

讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨,用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线性规划问题,然后用MATLAB的SNOPT软件包求解;针对初始偏差较大的实际情况,又结合直接配点法和滚动时域控制得到了解析的反馈控制律。仿真算例表明,得到的TSS变轨过程状态变化平滑,控制消耗较小,而且变轨之后TSS接近平衡状态;此外,反馈控制律对最优路径的跟踪效果较好,能够消除初始偏差的影响。

关键词：绳系卫星系统非线性规划滚动时域控制直接配点法 SNOPT软件包

可变绳长绳系卫星系统的一种简单张力控制策略

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中国空间科学技术 2009年第6期29卷 66-73页

作者：钟睿徐世杰北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了简化绳系卫星系统(TSS)的控制,对已有的设计方法进行了改进,提出了一种新的控制律设计方法。根据TSS的动力学方程构造线性自治系统,对释放、滞留和回收过程做统一处理,由线性自治系统的稳定理论导出线性反馈控制律,并对控制参数的... 详细信息

为了简化绳系卫星系统(TSS)的控制,对已有的设计方法进行了改进,提出了一种新的控制律设计方法。根据TSS的动力学方程构造线性自治系统,对释放、滞留和回收过程做统一处理,由线性自治系统的稳定理论导出线性反馈控制律,并对控制参数的取值进行了讨论;然后针对回收过程,通过设计平衡点参数得到了一种分段回收控制方案。仿真算例表明,文中采用的设计方法对于圆轨道和近圆轨道TSS的释放、滞留和回收过程都有较好的适应性。

关键词：绳系卫星系统张力控制线性自治系统鲁棒控制理论回收

电动力绳系卫星系统长期离轨动力学建模与控制设计方法

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振动工程学报 2024年第10期37卷 1792-1802页

作者：颜家慧陈提文浩罗操群彭文轩恽卫东南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室江苏南京210016 上海宇航系统工程研究所上海201108

本文针对电动力绳系卫星系统的长期离轨问题,研究离轨过程中系统的非线性动力学建模以及离轨控制设计方法。基于哑铃模型假设,进行系统的姿态动力学建模。为提高动力学建模精度,计入电动力、大气阻力和地球J_(2)摄动等动力学载荷对系统... 详细信息

本文针对电动力绳系卫星系统的长期离轨问题,研究离轨过程中系统的非线性动力学建模以及离轨控制设计方法。基于哑铃模型假设,进行系统的姿态动力学建模。为提高动力学建模精度,计入电动力、大气阻力和地球J_(2)摄动等动力学载荷对系统轨道运动的影响,采用修正的非奇异轨道要素描述系统的轨道动力学。针对离轨的动力学控制问题,提出了常值电流输入、方向可变的电流输入和最优控制三种电流控制设计方法,通过系绳电流设计调节电动力载荷实现离轨机动。在最优控制设计方法中,构建了带非线性约束的动力学反问题,基于非线性规划算法求解该反问题,得到最优控制参考轨迹,通过闭环反馈跟踪修正电流进行离轨。另外,提出了一种基于能量的电流开关控制策略辅助离轨,以保持系统姿态稳定和高效地利用电动力。为高效离轨对系统进行了动力学设计,并通过仿真算例对比分析了控制方法的离轨效率,验证了控制方法的有效性。

关键词：绳系卫星系统电动力最优控制长期离轨

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椭圆轨道绳系卫星系统释放的类反步法控制

哈尔滨工业大学学报 2020年第4期52卷 25-30页

作者：仲小清金雪松王敏李晓磊孙光辉中国空间技术研究院通信卫星事业部北京100094 中国航天科技集团宇航部北京100048 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

为解决椭圆轨道上绳系卫星系统的稳定和快速释放问题,在传统反步法的基础上,提出了一种类反步法的非线性控制方法.与传统反步法仅适应于严格反馈系统不同,提出的类反步法非线性控制方法不仅可以应用于非严格反馈系统,并且能够充分地利... 详细信息

为解决椭圆轨道上绳系卫星系统的稳定和快速释放问题,在传统反步法的基础上,提出了一种类反步法的非线性控制方法.与传统反步法仅适应于严格反馈系统不同,提出的类反步法非线性控制方法不仅可以应用于非严格反馈系统,并且能够充分地利用系统的非线性模型来改善控制效果.首先,基于拉格朗日力学原理,建立了椭圆轨道上绳系卫星系统释放过程的动力学模型,并通过一种新型的量纲为1的变换对动力学模型进行化简,得到了量纲为1的卫星系统模型;其次,设计了一种类反步非线性控制方法以应对绳系卫星系统模型中的耦合特性,并采用Lyapunov函数验证了各系统状态的渐进稳定性能;最后,设计了绳系卫星系统释放过程的非线性控制和PID控制的数值仿真实验,通过对比验证了所提出的类反步法非线性控制方法的有效性.仿真结果表明,所提出的类反步法控制方案不仅可以稳定、高效地控制椭圆轨道上绳系卫星系统的释放过程;而且相对比传统的PID控制方案所取得的控制效果更优.

关键词：绳系卫星系统释放椭圆轨道拉格朗日力学类反步非线性控制

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绳系卫星系统动力学与展开规划问题研究

绳系卫星系统动力学与展开规划问题研究

作者：苏飞北京理工大学

学位级别：硕士

绳系卫星系统是指由绳系连接两颗或多颗卫星而组成的航天器系统,绳系卫星在空间环境探测、空间碎片清除等领域有着广阔的应用前景。考虑到复杂的空间摄动环境及其自身的姿轨耦合运动特性,绳系卫星系统的动力学及控制问题具有一定的难度... 详细信息

绳系卫星系统是指由绳系连接两颗或多颗卫星而组成的航天器系统,绳系卫星在空间环境探测、空间碎片清除等领域有着广阔的应用前景。考虑到复杂的空间摄动环境及其自身的姿轨耦合运动特性,绳系卫星系统的动力学及控制问题具有一定的难度,其中绳系卫星的释放及回收策略一直是该领域内的研究重点。在绳系卫星释放及回收过程中,绳系长度的变化会导致系统姿态出现大幅的轨道面内外振荡,因此,结合绳系卫星系统的动力学及运动学特性,合理的规划系统展开释放过程并保证系统的稳定,是绳系卫星在轨运行的关键。本文针对绳系卫星系统的释放展开任务需求,调研了国内外已有绳系卫星系统项目,总结了绳系卫星系统的动力学分析与控制策略设计方法,在已有成果的基础上,进一步开展了绳系卫星系统动力学建模、分析及释放规划问题研究。论文的主要研究内容包括:首先,采用Lagrange方程建立了二体及多体绳系卫星系统的动力学模型;在二体系统的建模过程中,通过将绳系视为质量均匀分布的线弹性体得到了较为通用的系统模型;然后将二体系统拓展为多体系统,并在模型中对比了考虑主星姿态和不考虑主星姿态的状况,分析了辐射式及串珠式多体系统的动力学特性。在二体动力学模型的基础上,引入绳系形变系数得到接近真实绳系的数学模型和精确计算张力的方法,结合绳系张力力矩和重力梯度力矩研究了系统匀速、匀加速、幂指数展开时绳系和主星姿态的运动。通过数值仿真分析了不同展开策略下绳系和主星姿态收敛速度及稳定性,并给出幂指数展开稳定的约束条件。随后,结合二体绳系系统建模及分析结果,研究了绳系姿态变化条件下的电绳系离轨过程的轨道参数变化。根据洛伦兹力作用下的姿态动力学模型和高阶国际地磁场模型分析绳系运动过程中洛伦兹力和洛伦兹力矩的计算方法;结合高斯摄动方程,建立了电动绳系离轨数值仿真模型,在分别考虑无摆角、仅有面内摆角、有面内外摆角的条件下,对电动绳系离轨过程进行仿真对比。最后,将二体系统的释放规划问题拓展到多体系统,研究了辐射开环绳系卫星系统的展开动力学特性及展开完成后的振动抑制。针对不考虑主星姿态的辐射系统设计了匀速、变加速展开策略,分析了展开效率与末端振动的关系,并通过数学仿真进行了验证。对于考虑主星姿态及几何尺寸建模的辐射系统,设计了重力梯度补偿及无补偿时的展开控制策略,针对展开完成后绳系的振荡,提出分阶段展开的开环、闭环振动抑制控制方法,使系统展开完成后稳定运行。通过搭建仿真模型验证提出展开控制策略的有效性。

关键词：绳系卫星系统动力学模型展开策略重力梯度自旋展开构型稳定

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绳系卫星系统姿态和轨道动力学建模与仿真

绳系卫星系统姿态和轨道动力学建模与仿真

作者：王影哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

绳系卫星系统(Tethered Satellite System, TSS)在近地空间应用和深空探测方面都具有广泛应用，为人类太空建设开辟了一条崭新的道路。绳系系统动力学模型是其理论研究的基础，是绳系应用的前提，精确制导、准确的轨道与姿态控制均建立... 详细信息

绳系卫星系统(Tethered Satellite System, TSS)在近地空间应用和深空探测方面都具有广泛应用，为人类太空建设开辟了一条崭新的道路。绳系系统动力学模型是其理论研究的基础，是绳系应用的前提，精确制导、准确的轨道与姿态控制均建立在对绳系系统正确建模的基础上。现有绳系系统动力学模型均假设系绳质量可忽略不计、母星质量远大于子星，这两条模型假设极大的简化了系统建模过程。然而随着小卫星及点动力系绳的出现，该假设失去了其合理性。为解决上述问题，本文研究由质量不可忽略的系绳所连接的母星、子星(质量量级相近)及地球共同组成的三体系统，摒弃原有模型假设，使本文模型更加贴近于目前绳系系统发展趋势，更具普适性。首先，论文分析了单颗卫星的姿态动力学和轨道动力学，并对其进行了仿真，奠定了绳系卫星系统动力学建模与分析的基础。然后，应用拉格朗日方程对绳系卫星系统进行了轨道动力学建模，考虑绳系系统的非线性强、重力梯度力主导等固有特性。而后，针对绳系卫星系统，建立了相对运动模型，并讨论了系统稳定性及其平衡状态。最后，针对绳系卫星系统的轨道动力学进行了仿真。本文内容涉及绳系的运动学、稳定性理论研究，为空间对接、回收、捕获、测量等工程实际应用开发提供了基础模型。为验证研究内容的正确性，对所建立的模型均进行了仿真验证，仿真结果表明，本文建立的模型能够较准确反映系统的特性，绳系卫星系统能够稳定运行于空间轨道。

关键词：绳系卫星系统三体模型子星轨道控制平衡状态稳定性

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改进的绳系卫星系统距离速率控制律

上海航天 2007年第3期24卷 30-33页

作者：黄奕勇杨乐平国防科学技术大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法... 详细信息

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。

关键词：绳系卫星系统控制律回收稳定性绳索长度