[发明专利]一种绳系组合体姿态机动协同控制方法

说明书

本发明公开了一种绳系组合体姿态机动协同控制方法。包括如下步骤：根据拖曳移除任务要求，确定绳系组合体姿态机动的目标姿态,包括组合体、飞行器及废弃卫星三者的目标姿态；设计组合体、飞行器及废弃卫星三者跟踪同一个姿态规划路径及单轴依次机动的协同策略；根据三者姿态机动能力的最小者，确定姿态机动规划路径的角加速度及最大角速度；并采用匀加速‑匀速‑匀减速方式，规划绳系组合体姿态机动路径；设计组合体、飞行器及废弃卫星三者的姿态控制律，实现绳系组合体姿态机动的协同控制。本发明解决了绳系组合体姿态机动过程的协同控制问题，为飞行器利用基于系绳连接的抓捕载荷实现对废弃卫星的拖曳移除提供了有利条件。

技术领域

本发明涉及基于系绳连接的柔性组合体控制技术领域，尤其是涉及一种绳系组合体姿态机动协同控制方法。

背景技术

空间中存在大量由于发生故障或离轨失败导致废弃的卫星，占用了宝贵的轨道资源，且长期留轨增加了与其他卫星碰撞的风险，威胁了正常卫星的安全运行。针对此可采用基于系绳连接的捕获载荷实现对废弃卫星的远距离捕获，并利用绳系拖曳控制技术实现对废弃卫星的移除，对空间环境的可持续发展具有重要意义。

根据轨道动力学原理可知，沿轨道切向进行变轨的效率更高，故飞行器利用基于系绳连接的抓捕载荷捕获废弃卫星形成绳系组合体后，其组合体姿态需要调整到轨道切向以进行拖曳变轨。拖曳变轨至目标轨道后，为了安全释放废弃卫星，其组合体姿态需要调整到轨道径向方向。

与传统飞行器的姿态机动相比，控制对象为绳系组合体，需要解决机动过程中组合体、飞行器及废弃卫星三者的姿态协同控制问题，一方面避免相互之间的控制耦合和干涉，另一方面避免系绳的缠绕。

目前没有发现与本发明类似相关技术的说明或报道，也尚未收集到国内类似的资料。

发明内容

为解决绳系组合体姿态机动的协同控制问题，本发明的目的在于提出一种绳系组合体姿态机动协同控制方法,所述绳系组合体姿态包括组合体姿态、飞行器姿态及废弃卫星姿态，机动过程设计组合体姿态、飞行器姿态及废弃卫星姿态跟踪同一规划路径，且单轴依次机动的协同机动策略，实现绳系组合体姿态机动的协同控制。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种绳系组合体姿态机动协同控制方法，包括如下步骤：

根据拖曳移除任务要求，确定绳系组合体姿态机动的目标姿态，包括组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态；

设计所述组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态三者跟踪同一姿态规划路径，且单轴依次机动的协同机动策略；

根据所述组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态三者机动能力的最小者，确定绳系组合体姿态机动规划路径的角加速度及最大角速度；

根据所述角加速度及最大角速度，采用匀加速-匀速-匀减速方式规划绳系组合体姿态机动路径；

设计绳系组合体姿态机动的组合体姿态控制律、飞行器姿态控制律、废弃卫星姿态控制律，实现绳系组合体姿态机动的协同控制。

较佳地，所述组合体姿态用面内摆角和面外摆角表示，面内摆角为废弃卫星相对飞行器的位置矢量在飞行器轨道平面的投影与飞行器轨道坐标系x轴的夹角，且面内摆角范围为[-π,π]，并废弃卫星在飞行器的下方时，面内摆角为正值，在飞行器上方时，面内摆角为负值；面外摆角为废弃卫星相对飞行器的位置矢量与飞行器轨道平面的夹角，且面外摆角范围为[-π/2,π/2]，并废弃卫星在飞行器飞行方向右侧时，面外摆角为正值，在飞行器飞行方向左侧时，面外摆角为负值。

较佳地，所述飞行器姿态、废弃卫星姿态用滚转角、俯仰角及偏航角表示，且飞行器、废弃卫星沿系绳方向的姿态角为滚转角。