[发明专利]一种拖曳变轨中利用系绳与连杆的目标星姿态稳定方法

说明书

本发明涉及一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，采用系绳张力与连杆摆动协调控制技术来稳定非合作目标姿态。首先，设计连杆摆动角速率控制律可消除目标体在垂直于系绳方向的角速度，避免了缠绕的发生。与系绳连接点的平面移动控制策略相比，连杆摆动具有更大的操作空间，因此能提供更大的控制力矩。与连杆摆角的PD控制律相比，考虑了张力扰动和摆角约束的滑模角速率控制器具有更强的鲁棒性和更好的实用性。其次，设计系绳收放控制律可将张力稳定在恒定的期望值附近。与单纯通过张力控制使目标体稳定相比，控制张力跟踪恒定值在实际工程中较易实现，且具有较高的稳定性。此外，该张力控制也能保持两端航天器的间距，避免了碰撞的发生。

技术领域

本发明属于绳系航天器机动变轨研究，涉及一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法。

背景技术

使用空间绳系机器人的轨道垃圾拖曳移除，因其高灵活性和高安全性而备受瞩目。

在实施拖曳移除前，空间平台将释放绳系智能飞爪对失控非合作目标进行抓捕。由于非合作目标处于失稳状态且有残余角速度，抓捕后的系绳张力相对于目标体的方位取决于当时的目标体姿态。此外，抓捕位置也很可能不在目标体的惯量主轴上。这意味着在随后的拖曳中，偏置的系绳张力会对目标体姿态产生较大的干扰力矩，进一步加剧目标体的不稳定，甚至引发目标体与系绳的缠绕。一旦发生缠绕，系绳张力将激增，并将两端航天器拉向彼此增加碰撞的风险。因此，如何高效地稳定非合作目标的姿态是拖曳移除的关键技术之一。

对于此，国内学者已在拖曳移除非合作目标姿态稳定方面提出了诸多策略，例如：在《中国科学》上发表的《带刚性臂的空间绳系机构偏置控制》，采用固连于末端机构上的刚性臂来形成控制的偏置，用以对空间绳系机构进行位姿耦合的最优控制。在《北京航空航天大学学报》上发表的《空间绳系拖拽系统摆动特性和平稳控制》，采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制，用以消除目标体摆动并保持星间相对距离。

同样地，国外学者也在此领域做了大量的研究。例如，《Attitude Control of ATethered Space Robot by Link Motion Under Microgravity》和《Offset Control oftethered Satellite Systems:Analysis and Experimental Verification》提出了采用PD控制律的连杆摆动策略来稳定目标体姿态。《Self-Stabilizing Attitude Control forSpinning Tethered Formations》采用了系绳连接点的旋转阻尼器来吸收目标体的转动动能，从而达到稳定姿态的效果。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种拖曳变轨中利用系绳/连杆的目标星姿态稳定方法，不消耗智能飞爪的推力燃料，且无需复杂的张力控制技术，此外也不影响平台轨道的设计，因此具有较高的实用性。

技术方案

一种拖曳变轨中利用系绳与连杆的目标星姿态稳定方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立考虑两端姿态与系绳特性的组合体变轨动力学模型：

A.利用高斯摄动方程建立平台质心轨道模型：

其中Ξ＝a,e,i,Ω,ω,f ^T为空间平台质心的轨道元素。其中a为空间平台质心轨道半长轴，e为平台质心轨道离心率，i为平台轨道倾角，Ω为平台轨道升交点赤经，ω为平台轨道近地点幅角，f为平台轨道真近点角。p＝a(1-e²)，μ为万有引力常量，轨道半径d＝d_r,d_θ,d_h^T为在轨道系下作用于平台的非保守合外力产生的加速度；

所述