绳系卫星渐近稳定释放与回收策略

专利名称：绳系卫星释放回收控制方法及系统专利类型：发明专利
发明人：饶海平,王子涵,李锦朝,王任廷,彭维峰申请号：CN202111430025.1
申请日：20211129
公开号：CN114115315A
公开日：
20220301
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出了一种绳系卫星释放回收控制方法及系统，该方法包括以下步骤：基于绳系卫星系统的轨道坐标系与本体坐标系建立绳系卫星摆振的动力学方程以及绳系卫星质心轨道运动方程；将绳系卫星摆振的动力学方程线性化，再对其进行转态，得到动力学方程线性化后的状态方程Z；根据动力学方程线性化后的状态方程Z以及绳系卫星质心轨道偏心率造成的系统参数不确定性，设计保证价值控制律；在绳系卫星系统中应用所述保证价值控制律对释放回收进行控制。

本发明能够使绳系卫星稳定地进行释放回收，使绳系卫星释放回收过程中不会发生缠绕，提高绳系卫星释放回收的稳态精度。

申请人：东方红卫星移动通信有限公司
地址：401120 重庆市渝北区龙兴镇两江大道618号
国籍：CN
代理机构：重庆双马智翔专利代理事务所(普通合伙)
代理人：顾晓玲
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2010年1月第36卷第1期北京航空航天大学学报Journa l o f Be iji ng U nivers it y of A eronauti cs and A stronauti cs January 2010V o.l 36 N o 1收稿日期:2008 12 16基金项目:国家自然科学基金资助项目(10702003)作者简介:钟 睿(1984-),男,江西赣州人,博士生,zhongru i a @.基于退步控制方法的绳系卫星回收张力控制钟 睿 徐世杰(北京航空航天大学宇航学院,北京100191)摘 要:利用退步控制方法研究了绳系卫星系统TSS(Tethered Sate llite Syste m )的平面内回收控制问题,提出了一种新的张力控制律.该控制律设计由两步组成:首先利用退步控制将摆角稳定到目标值,然后通过设计摆角的目标值实现系绳的回收和回收速度的控制.控制率设计了分段连续的目标角度方案和延时环节,可以使TSS 回收过程各状态量变化平滑.数值仿真结果表明,该控制律在圆轨道、近圆轨道和大偏心率的椭圆轨道都有很好的控制效果.关 键 词:绳系卫星系统;控制规律;退步控制方法;子星回收中图分类号:V 474.292文献标识码:A 文章编号:1001 5965(2010)01 0026 05Tensi on control strategy for TSS retrieval process based onbacksteppi ng controlm ethodZhong Rui Xu Sh iji e(School ofA stronauti cs ,B eiji ng U n i vers it y of Aeronau tics and Astronau tics ,Beiji ng 100191,C hina)Abstr act :A ne w tension control la w based on backstepping contr o lm et h od w as proposed for planar re trieva l contr o l of tethered satellite syste m (TSS).The contro l l a w was designed in t w o steps .Firstly ,the p lanar s w i n g angle w as stab ilized i n to target va l u e v ia using backsteppi n g contr o lm ethod .Then ,t h e re trieva l ve l o c ity w as controlled by design i n g appropriate pro file for the tar get va l u e .A conti n uous piece w ise profile w as a dopted f o r t h e tar get va l u e and a delay ter m was added to ensure a better retrieva lbehav i o r .Nu m erical si m u la ti o n results va lidate t h at the con tro l la w desi g ned here wo r ksw e ll f o r TSS m ission in circu lar ,near circu lar or b its and also elli p ti c al orbit w ith large eccentricity .Key wor ds :tethered satellite syste m;contr o l a l g orit h m;backsteppi n g contro l m ethod ;subsate llite re trieva l空间任务的多样性要求开发新的卫星系统.绳系卫星系统TSS(Te t h ered Satellite Syste m )已经向人们展示了其广泛的用途和应用前景,例如空间实验、空间运输、大型空间结构的构建等等.典型的TSS 可以利用绳系卷扬机构将子星释放、滞留和回收到母星中,以完成各种任务.近30年来,TSS 一直是航天领域的研究热点之一[1].TSS 回收过程的控制问题一直是研究的难点,由于系统包含有负阻尼,其动力学行为呈现不稳定的现象[2],给收绳带来了困难.很多学者都在探讨如何解决TSS 的控制,特别是回收过程的控制问题,取得一些成果.于韶华[3]等基于非线性动态理论分析,提出了速度距离控制方法,该方法实现方便且控制效果比较明显;黄奕永[4]等人对速度距离法提出了改进,扩大了二阶系统的稳定域,提高了释放速度;近年来,最优控制理论被越来越多的应用到TSS 的控制问题当中,文献[5-6]发表了大量的文献证明最优控制是解决TSS 控制的一种很好的工具;而对于最优控制问题,除了采用Pontyag i n 极大值原理推导给出状态及其协变量的一组方程进行求解外,越来越多的学者开始采用基于伪谱离散的直接配点法(pseudospectra l kno tti n g m ethods),文献[7]采用Cheby shev 伪谱离散的方法将TSS 连续时间的最优控制转化为标准的二次型问题,取得了较好的控制效果.本文提出一种新的设计思路:在系绳张力控制条件下,TSS 的控制可以认为是一个欠驱动问题,退步控制[8]应用于这类问题具有控制律设计灵活的特点,且本身具有良好的动态和稳态性能.本文研究面内情况下的TSS 的控制问题,运用退步控制理论设计了回收过程的张力控制律,并通过加入延时环节使张力变化平滑.该控制律在收绳速率上与已有的研究成果相近,但是在回收稳定性方面的性能略优.近年来对TSS 回收过程的研究大多限于圆轨道情况,对椭圆轨道的情况研究较少,而本文得到控制率可以适用的椭圆轨道偏心率范围较广.1 绳系动力学模型所研究的TSS 系统由一颗子星S 和母星M 组成.轨道坐标系建立如图1所示:x 轴沿母星速度方向,y 轴沿地心与母星连线方向.绳系问题非常复杂,为简化分析过程,作如下假设:图1 T SS 示意图1)地球视为中心重力体,TSS 母星和子星均视为质点,姿态运动不予考虑.2)子星质量远小于母星,后者的运动轨道不受前者影响.3)柔绳无质量、无弹性变形.4)作用在TSS 系统上的唯一外力是重力,忽略其他外力.5)柔绳张力沿着绳的方向,没有垂直绳方向的控制力和能量耗散.根据以上假设,TSS 的动力学方程[3]可以写为L-L2-L (v +)2cos 2=LR -3M (3cos 2sin 2-1)-Tm-1(1)L (v+)+2L(v+)-2L (v +)tan =3 LR -3M cos sin(2)L+2L+L (v+)2cos sin =-3 LR -3M sin 2cos sin +FM-1(3)式中,F 为面外推力;T 为系绳张力; 为地球引力常数;m 和M 分别表示子星和母星的质量;L 为绳长;R M 为母星到地心的距离,且R M L; 是系绳与轨道平面的夹角; 是系绳在轨道平面内的投影与x 轴的夹角;v 是近地点幅角;求导符号表示对时间t 的导数.平面情况下式(1)和式(2)可简化为L-L (v+)2= LR -3M (3sin 2 -1)-Tm-1(4)v++2LL-1(v+ )=1.5 R -3M sin 2 (5)2 摆角稳定的退步控制率退步方法的设计过程中,将一部分状态变量或状态变量的组合看成虚拟控制量,并根据Lya punov 方法对它们进行中间控制律的设计.为了方便中间控制率的设计,首先定义如下辅助变量:z 1=e +k 1 e +k 0z 0z0= e(6)式中,角度误差 e = - d ; d 是给定的目标角度;k 1和k 0为正的参数.z 1相当于一般退步控制中的中间状态误差量,易知z 1就是一个PI D 控制律且当z 1 0时, e 渐近地收敛到0.对式(6)求导,结合式(5)并考虑到一般任务中选取 d =d =0得到:z1= e +k 1e +k 0 e =-v-2LL-1(v+)+1.5 R -3M sin 2 +k 1+k 0 e(7)将2LL -1(v+)视为虚拟控制量,再令z 2=2LL -1(v+)-u (8)则z 2是中间控制误差,而u 是一个可以使z 1收敛的中间控制律.选择:u =-v+1.5 R -3M sin 2 +k 1+k 0 e +z 1(9)将式(8)和式(9)代入式(7),则有z1=-z 1-z 2(10) 选择Lyapunov 函数:V 1=12k 2z 21(11)式中k 2为正的参数,对式(11)求导得到:V1=k 2z 1(-z 1-z 2)=-k 2z 21-k 2z 1z 2(12)27第1期 钟 睿等:基于退步控制方法的绳系卫星回收张力控制由上式可见,如果z 2 0,则可以得到V1=-k 2z 21<0,从而根据Lyapunov 稳定性理论,z 1 0.为使系统稳定,接下来的任务是设计真实控制律T,使z 2 0.为求得真实的控制律,需要知道中间控制误差的时间导数,结合式(4)、式(5)、式(8)和式(9)可求得:z2=a +b T(13)其中a = R -3M [(6si n 2-2)(v+)-1.5(1+k 1)si n 2 +3LL-1sin 2 -3cos2 ]+4.5 R -4M R M sin 2 +2(v+)3-6L 2L -2(v+)+v+2(k 1+1)LL-1(v+)+(k 1+1)v-k 0-k 1-k 0 e (14)b =-2(v+)L -1m-1(15)式中的RM 和v项可由轨道动力学得到.再选取Lyapunov 函数:V 2=V 1+12z 22(16)对式(16)求导得到:V2=V1+z 2z 2=-k 2z 21-(k 2z 1-a -b T )z 2(17)由此,只需要真实控制量T 满足:k 2z 1-a -b T =k 3z 2(18)其中k 3为正的参数,则有V2=-k 2z 21-k 3z 22<0(19)系统渐近稳定.因此可得系统的真实控制律为T =b -1(k 2z 1-a -k 3z 2)(20)式中各变量在上文推导过程中均已给出.稳定回收的情况下,TSS 的轨道角速度要比绳的摆动快很多,所以控制律不会因为b =0而奇异.3 回收控制率设计上节得到的张力控制律可以满足TSS 系绳的摆角收敛到期望值 d .要实现系绳的回收,即必须满足L<0,这一点可以通过设计期望值 d 来实现,分析如下:综合式(8)和式(9)可以得到:-v+1.5 R-3M s i n 2 +k 1+k 0 e +z 1=2LL -1(v +)-z 2(21)当稳定后,摆角误差 e 、中间状态误差z 1和中间控制误差z 2都收敛到0,摆角的各阶时间导数也为0,则可以得到:L=( /p 3)0.5(1+e co s v )(e sin v +0.75si n 2 d )L(22)由此可见,绳长速率L主要和目标角度 d 有关,L<0即TSS 处于回收阶段的充要条件:e si n v +0.75sin 2 d <0(23)式(23)表明,当偏心率很小时, d 的取值范围基本为(-!/2,0),而随着偏心率的增大这一范围不断变小.重力梯度平衡时,由图1易见平衡摆角为-!/2,不妨假设子星的轨道高度低于母星,即 d 的取值范围是(-!,0),则回收的速度达到最快的充要条件是sin 2 d =-1,即 d =-!/4.此时式(23)时时满足的条件是e <0.75,这说明上文得到的张力控制律也适用于偏心率较大的椭圆轨道.在圆轨道情况下,绳长速率简化为L=∀#L (24)这与于韶华在速度距离法[3]中得到的结果相同.对控制律的分析表明,对收绳速度的控制可以通过改变目标角度 d 来实现,为了使回收过程变得平滑,设计如下的目标角度方案:d =-!/4 L b <L !L if(L )L s !L !L b -!/20!L <L s(25)式中,L i ,L b 和L s 分别为绳的初始长度和过渡过程绳长的上下域值,f (L )是一个人为设计的平滑过渡函数,满足:f (L b )=-!/4f (L s )=-!/2f(L b )=f(L s )=0(26)式(25)使回收初期,收绳速度达到最快,而当绳长在变得足够小之后,目标角度平滑地由最快速的收绳角度变化到平衡角度,以使绳长稳定.需要说明的是:前文设计控制律时假定目标角度的导数为0,而这在过渡过程中并不满足,但是由于该过程只是整个回收过程的一小部分,故影响不大.另外,如果初始时刻TSS 处于平衡状态,采用式(25)作为目标角度方案,初始的角度误差 e 比较大,造成中间状态误差z 1、控制误差z 2和时变参数a 都会比较大.由式(20)可以看出,退步控制律得到的初始张力会是一个比较大的值,即28北京航空航天大学学报2010年存在一个突变过程,这对于收绳过程是不利的.另外,系绳的张力必须为正,这一点可以通过调节参数来尽量实现,同时,在张力为负值时令其为0.为此可以将张力控制律修正为T tu r e=0.5[T(1-e-kt)+T i e-kt]+0.5|T(1-e-kt)+T i e-kt|(27)式中,T i为初始时刻绳的张力;k是一个正的常数.由式(27)可见:随着时间的推移,修正后的张力逐步逼近退步控制设计的张力,即控制率的有效性可以得到保证,而延时环节的存在推迟了波峰出现的时间,避免了突变的发生.4 数值仿真不防假设TSS任务中绳长为L=20km,(美国航空航天局NASA和意大利空间局ASI合作研制的绳系卫星系统TSS1试验的释放绳长即为20k m)子星质量m=500kg.1)圆轨道回收过程图2是TSS在圆轨道回收操作的仿真结果;其中母星运行的轨道高度为200km,各参数分别取为k0=5∀10-7,k1=1∀10-3,k2=k3=1∀10-6,k=1∀10-3.目标角度方案取为L i=20k m,L b=6km,L s=3km,f(L)=-3! 8+! 8sin!3(L-3)-!2.释放初值取为重力梯度平衡状态,由式(4)易得初始张力(即平衡张力)为T i=3m#2L,#为轨道角速度.为了作图和比较的方便,以下仿真结果按惯例将各变量的单位量归一化:时间为1/#,长度为L,张力为m#2L,角度为弧度.通过图2可以看出,本文给出的控制率在回收时间(大约相当于3.1h)上优于文献[3]的结果,而与文献[7]近似.虽然初始阶段的控制力比后者的结果大,(文献[7]的性能函数考虑了能量消耗最优)但是整个过程中摆角的波动比较小,绳长速率的最大值也更小,即回收过程更为平稳.2)椭圆轨道上TSS的回收过程图3和图4是椭圆轨道上TSS回收过程的仿真结果.TSS母星运行的轨道近地点高度均为200k m,偏心率分别为0.1和0.4.假定回收过程开始于母星运行到近地点处.各控制参数取值及目标角度方案与圆轨道情况相同.根据文献[3],椭圆轨道的TSS在垂直方向无法保持平衡,而是保持一个有界的周期运动,常值的平衡张力是不存在的,故将控制率中的初始张力修正为T i=3m n2L式中,n为平均角速度,这个初始张力可以认为是椭圆轨道TSS的平均张力.相应的,仿真结果各变量的单位量变成:时间为1/n,长度为L,张力为m n2L,角度为弧度.图2 圆轨道上T SS的回收过程图3 椭圆轨道上TSS的回收过程(e=0.1)图4 椭圆轨道上TSS的回收过程(e=0.4)从仿真结果可以看出,上文得到的张力控制律在小偏心率的椭圆轨道工作得很好,张力波动明显小于文献[3]的结果.对于大偏心率的椭圆轨道,回收过程会出现系绳短暂的释放过程,但是这对回收时间的影响有限,且整个回收过程中绳长、摆角和张力的变化都比较平滑,退步控制方法29第1期 钟 睿等:基于退步控制方法的绳系卫星回收张力控制得到的控制率具有良好的稳态和动态性能.已有文献中对大偏心率椭圆轨道情况下的TSS研究很少,故可供比较的研究成果也很少,如何避免系绳的释放过程是今后的主要研究内容之一.5 结 论仅有系绳张力作用下的TSS控制可以归结为一个欠驱动问题,可以利用退步控制来加以解决.本文利用这种设计方法得到了TSS回收过程的一种张力控制律,该控制律可以将摆角稳定到目标值,通过调节目标角度来控制回收速度.退步控制的设计过程比较灵活,能够将非线性的TSS控制问题最终转化为调节PI D参数的问题,从而具有良好的动态和稳态性能.数值仿真结果表明,本文得到的张力控制律在圆轨道和椭圆轨道情况下都能很好地控制TSS的回收过程,对工程应用有一定的参考价值.参考文献(References)[1]Cart m ellM P,M c Ken zie D J.A revie w of space tet h er research[J].Progress i n Aeros pace S ciences,2008,44:1-21[2]Kum arK D.R evi ew of dyna m i cs and con trol ofnonel ectrodyna mic tet h ered s atellite syst e m s[J].Journ al of Spacecraft and Rockets,2006,43(4):705-720[3]于绍华,刘强,杨林娜.绳系卫星系统二维平面运动和常规动力学[J].宇航学报,2000,21(4):15-24Yu Shaohua,Li u Q iang,Y ang L i nna.Regular dyna m i cs of i npla nar m oti on oftethered satelli te syste m[J].Jou r n al of As tronau tics,2000,21(4):15-24(i n Ch i nese)[4]黄奕勇,杨乐平.改进的绳系卫星系统距离速率控制律[J].上海航天,2007(3):30-33H uang Y iyong,Yang Lep i ng.The research on t he m od ified rangerate con trol l a w for tethered sat ellit e[J].Aeros pace Shangh a,i 2007(3):30-33(i n Ch i nese)[5]W illi a m s P.Op ti m al dep loy 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er.Japan:J FPS Press,2008:665-670(编 辑:刘登敏)30北京航空航天大学学报 2010年。

基于能量的欠驱动直连式双体绳系卫星稳定控制卫星技术的快速发展使得人类可以更加深入地研究和探索宇宙，但在卫星的稳定性控制方面仍然存在许多挑战。

欠驱动直连式双体绳系卫星是一种新型的卫星结构，不同于传统的单体卫星，它由两个质量相等的卫星通过一根绳子相连接而成。

这种结构使得卫星在运行中具有一定的柔性，并且仅仅依靠推进器能量驱动的方式来完成姿态控制。

本文旨在探讨基于能量的欠驱动直连式双体绳系卫星的稳定控制方法。

1. 引言首先，让我们简要介绍欠驱动直连式双体绳系卫星的结构和特点。

这种卫星由两个质量相等的卫星组成，通过一根绳子连接。

它的主要特点是结构简单、质量轻、柔性高，可以在宇宙空间中实现长时间稳定运行。

然而，由于受到绳子的限制，传统的姿态控制方法无法直接应用于该类型的卫星。

2. 基于能量的稳定控制方法基于能量的稳定控制方法是一种常用的控制方式，它通过调整卫星姿态以达到控制目的，而不是直接调整推力。

这种方法通常可以分为两个步骤：能量分析和控制策略设计。

2.1 能量分析能量分析是指对卫星在姿态控制过程中能量的转移和变化进行分析。

对于欠驱动直连式双体绳系卫星来说，绳子的拉力是其能量的主要储存形式。

在姿态控制过程中，绳子的拉力会不断变化，从而改变卫星的姿态。

2.2 控制策略设计控制策略设计是指根据能量分析的结果，设计出相应的控制算法以实现卫星稳定控制。

对于欠驱动直连式双体绳系卫星来说，控制算法应该考虑到绳子的拉力、卫星的质心位置和角动量等因素，以实现稳定的姿态控制。

3. 数值模拟与分析在本节中，我们将使用数值模拟的方法来验证基于能量的稳定控制方法的有效性。

首先，我们需要建立欠驱动直连式双体绳系卫星的数学模型，包括绳子的拉力模型、卫星的质心位置模型和角动量模型等。

然后，我们可以通过数值模拟的方法来模拟卫星在不同控制算法下的运行情况，并对比不同算法的控制效果。

4. 结果与讨论在本节中，我们将讨论数值模拟的结果，并对比不同控制算法的稳定性和控制精度。

考虑姿态的绳系卫星后退时域回收控制
王晓宇;文浩;金栋平
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2010(042)005
【摘要】建立了计入子星姿态运动的绳系卫星非线性动力学模型,研究了子星回收过程的非线性后退时域控制问题.将非线性后退时域控制问题伪线性化为一系列线性最优控制,并在Legendre-Gauss点离散,作为该复杂受控绳系卫星系统的数值求解策略.结果表明,通过调节系绳张力和作用于子星上的力矩,可实现子星的稳定回收,所设计的控制律对初始状态扰动、模型误差和外扰力等扰动均有良好的抑制作用.【总页数】7页(P919-925)
【作者】王晓宇;文浩;金栋平
【作者单位】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;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;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
【正文语种】中文
【中图分类】V448.21
【相关文献】
1.绳系卫星释放阶段的空间姿态非线性稳定控制 [J], 王长青;杜崇刚;李爱
军;Z.H.Zhu
2.三体绳系卫星面内编队飞行的回收控制 [J], 刘丽丽;文浩;金栋平;胡海岩
3.基于粒子群算法的绳系卫星展开与回收控制 [J], 王维;李俊峰;宝音贺西
4.含不确定性的绳系卫星姿态的鲁棒最优控制 [J], 黄静;刘刚;马广富
5.带可控臂绳系卫星释放及姿态控制 [J], 文浩;陈辉;金栋平;胡海岩
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谈谈系绳卫星
庞之浩
【期刊名称】《科学之友：A版》
【年(卷),期】1996(000)004
【摘要】今年2月22日升空的美国航天飞机哥伦比亚号于2月25日再次在太空释放系绳卫星。

它引起世界各国航天专家的广泛注意,因为这种新型航天器别致新颖,是一种用系绳或链与航天飞机、空间站或宇宙飞船相连,可以施放和回收的人造地球卫星,很像在太空放风筝。

1992年8月4日,美国航天飞机曾首次在太空释放了美国和意大利合作研制的 TSS—1系绳卫星,用于研究地球磁场、等离子电动力学、系绳发电等科学项目。

实验项目是使系绳卫星在高速穿过地球磁场时产生5000伏电压,研究高压条件下空间材料与电离层离子体的相互作用。

该星重517公
【总页数】2页(P26-27)
【作者】庞之浩
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】V474
【相关文献】
1.含无质量系绳的卫星系统平面运动和常规动力学 [J], 于绍华;刘强
2.有分布质量系绳的卫星系统的动力学 [J], 于绍华;刘强
3.绳系卫星系绳参数的实时估计方法 [J], 何勇;梁斌;徐文福;郭碧波
4.平流层卫星系绳的建模与仿真 [J], 张辉;符文星;常小飞
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