[发明专利]一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，涉及带有空间系绳的各类空间抓捕系统捕获空间非合作目标后的动力学分析和目标参数辨识技术，特别涉及一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法。

背景技术

空间绳系系统是一种可用于空间在轨服务的新型空间机器人系统，在空间在轨维修、在轨捕获及在轨组装等领域有着潜在的应用价值；这种空间绳系抓捕系统的主要架构为“空间机动平台，空间系绳，操作机器人”；在成功捕获空间非合作目标/空间垃圾后，新的复合体为“空间机动平台，空间系绳，空间非合作目标”；为了进一步完成后续的拖曳变轨/回收等任务，需要知道被抓捕目标的动力学参数，所以在抓捕后的停留阶段，需要对目标的动力学参数进行辨识，其中包括质量，转动惯量和质心到任意抓捕点距离。

目前，在于空间绳系抓捕系统相关的研究中，系绳的释放和回收研究占了绝大多数。但是目前为止，国内外没有任何学者针对非合作抓捕后的动力学参数辨识问题进行相关研究。在空间绳系抓捕系统的任务中，利用空间绳系机器人或者空间飞网完成对空间非合作目标的抓捕后，紧接着就要进行下一步的回收/拖曳任务。作为新组合而成的空间刚-柔-刚复合体，为了下一步回收/拖曳任务中的精确控制，必须要辨识被抓捕目标的动力学参数。

在所有的动力学参数中，又尤其以空间非合作目标的质量最为关键。第一个原因是，通常情况下的空间绳系抓捕系统，系绳的长度远远大于目标卫星和本体卫星的尺寸，于是这两个刚体就退化成了质点。在此情况下，空间非合作目标的质量即成为必不可少的也是唯一需要辨识的参数。第二个原因是，无论是目标回收，还是拖曳变轨，都需要通过系绳来控制稳定回收/拖曳。而在空置率的设计中，被抓捕目标的质量是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是针对空间绳系抓捕系统空间非合作目标的问题，提出一种利用抓捕后的停留阶段对空间非合作目标进行快速参数辨识，并在回收前期进行精确参数辨识的基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法，该方法可以广泛应用于空间绳系抓捕系统抓捕空间非合作目标后，对目标的动力学参数进行辨识。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)利用拉格朗日法推导“空间机动平台-系绳-空间非合作目标”复合体的动力学方程；

2)抓捕后停留段的姿态动力学分析；

3)后抓捕阶段的空间非合作目标质量参数辨识；

4)空间非合作目标回收阶段的自适应控制。

所述的步骤1)中，“空间机动平台-系绳-空间非合作目标”复合体的动力学方程的推导方法具体如下：

空间绳系抓捕系统由释放出绳系终端抓捕器的本体卫星，在空间轨道运行的被抓捕目标卫星，以及连接两个卫星的系绳所构成；其中m₁，m₂，m_t分别为本体卫星、目标卫星和系绳的质量；地心指向空间绳系抓捕系统质心C的矢量R_c是由真近点角γ和径向坐标R_c定义的；R₁，R₂，R_t分别是由地心指向本体卫星质心，目标卫星质心和系绳上任意一质点的位置矢量；轨道坐标系C-x₀y₀z₀作为一个旋转坐标系，其原点即为空间绳系抓捕系统质心，x₀轴沿质心矢量R_c并指向地心反方向，y₀轴垂直于x₀轴并与其共同构成轨道平面，z₀轴满足右手定则；旋转坐标系C-xyz为空间绳系抓捕系统的本体坐标系，这个旋转坐标系的原点分别为空间绳系抓捕系统质心；其中，本体坐标系x-y-z是从轨道坐标系x₀-y₀-z₀绕z₀轴旋转面内角α，再绕瞬时坐标轴y′旋转面外角β得到的，且假设这两次旋转是瞬时连续完成的，α即为系绳的面内摆角，β是系绳的面外摆角；

地心到本体卫星、目标卫星和系绳上任意质点的矢量位置分别为：

R₁＝R_C+r₁(28)

R₂＝R_C+r₂(29)

R_t＝R_C+r_t(30)