[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

摘要

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。

主权项

1.一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；所述其中，平台变轨推力为本体系到轨道系的转化矩阵，平台质量为平台初始质量；系绳张力为张力方向矢量，为系绳释放点n₀与第一个珠子n₁间的距离；所述张力为：EA为系绳刚度，c_t为系绳阻尼系数，l₀为两个珠子间的系绳自然长度；B.系绳珠子和目标体相对位置模型：第i个珠子在轨道系下相对于平台质心的位置矢量为则模型为：其中，i＝1...N,N+1，且当i＝N+1时，模型为目标体相对于平台质心的位置动力学模型；θ＝f+ω为轨道极角，作用于第i个珠子的合外力所产生的加速度为m_i＝ρl₀为珠子质量；为第i个珠子所受相邻两个珠子对其张力的合力；所述：目标体所受外力加速度为为系绳连接点N的位置矢量，为目标本体系到系绳坐标系的转化矩阵，为系绳坐标系到轨道系的转化矩阵，为系绳连接点在目标本体系下的方位矢量；C.两端航天器姿态模型：其中，下标p表示平台，下标d表示目标体；σ_p,d为姿态修正罗德里格斯参数；Ω_p为平台相对于轨道系的姿态角速度，Ω_d为目标体相对于系绳坐标系的姿态角速度；ω_d＝ω_od+ω_t+Ω_d为目标体绝对角速度，为在目标体系下的轨道角速度；所述为矢量叉乘运算的反对称矩阵：ω_p＝ω_op+Ω_p为平台绝对角速度，ω_op为在平台体系下的平台轨道角速度；所述所述其中：所述所述η和γ分别为最后一段系绳的轨道面内摆角和面外摆角；所述J_p为空间平台惯量主轴对应的惯量对角矩阵，J_d＝R^TJ_mainR为目标体惯量矩阵，J_main为目标体惯量主轴对应的惯量对角矩阵，R为主轴体系到偏置体系的转化矩阵；所述·⁺表示Moore‑Penrose逆；为连杆关节在目标体系下的坐标，为连杆在目标体系下的方位矢量，l_c为连杆长度，α和β为连杆摆角；所述为平台姿态合力矩；为平台姿态控制力矩；所述为目标体姿态力矩；步骤2改写两端航天器姿态模型中的目标体姿态动力学方程：其中，为非线性扰动项；τ_E和τ_a分别为：其中：t_d＝[t_dx,t_dy,t_dz]^T＝R_d0,t_desire,0^T为目标体系下的期望张力矢量；Δt_d＝[Δt_dx,Δt_dy,Δt_dz]^T＝R_d0,Δt,0^T为目标体系下由张力控制引起的张力扰动矢量；步骤3、定义滑模面：低阶滑模面：其中，p_i,i＝1...8为待定正系数；高阶滑模面：其中，ζ为待定正系数；λ＝λ₁,λ₂^T为抗饱和系统状态量，其自适应律满足如下关系：其中，A＝diag A₁,A₂为正系数对角矩阵，g为动力学相关增益矩阵；步骤4、定义不确定扰动函数Γ：其中令Γ满足约束：步骤5：以连杆摆角速率控制律u和张力控制律l_0d为控制输入进行姿态控制；所述连杆摆角速率控制律所述张力控制律其中：η为待定正常数，Ψ∈R²为鲁棒控制项，其中，ρ，k_u和δ为待定正常数，Ψ∈R²满足如下约束：其中：l_0d为每两个珠子间的期望未变形绳长，s为拉氏算子，ΔT＝T_desire‑T_d为期望张力与实际目标体所受张力的偏差，