[发明专利]一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法

说明书

本发明公开的一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法，属于航天器姿态和轨道动力学与控制领域。本发明实现方法为：通过拉格朗日方法建立绳系拖曳系统的轨道平面内姿轨耦合动力学模型；采用轨道转移优化求解方法求解转移轨道最优燃料问题，在保证绳系拖曳系统大范围最优轨道转移的同时，使绳系拖曳系统的姿态保持稳定。在绳系拖曳末时刻对碎片实施甩摆释放控制，使碎片获取最大初速度，飞向更远轨道，在减少碎片移除过程的燃料消耗的同时完成碎片移除任务。本发明能够在保证绳系拖曳系统大范围最优轨道转移的同时，使绳系拖曳系统的姿态保持稳定，平稳地将空间碎片进行移除，此外末时刻甩摆控制使碎片飞向更远轨道，同时减少碎片移除过程的燃料消耗。

技术领域

本发明涉及一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法，尤其涉及航天器考虑姿态运动的转移轨道最优设计方法，属于航天器姿态和轨道动力学与控制领域。

背景技术

在绳系卫星拖曳空间碎片离轨研究中，合理设计轨道控制策略，从而在平稳移除碎片的同时使燃料消耗尽可能少是碎片清除任务的研究重点。文献(Wang,B.H.,Meng,Z.J.,Huang,P.F.Attitude Control of Towed Space Debris Using Only Tether.Acta Astronautica 138(2007):1-16)针对碎片离轨过程，仅研究了考虑系绳对拖船作用力的拖船轨道运动模型，并采用霍曼转移将空间碎片移除。文献(Linskens,H.T.K.,andMooij,E.Tether Dynamics Analysis and Guidance and Control Design for ActiveSpace-Debris Removal.Journal of Guidance,Control,and Dynamics(2016):1232-1243)设计了三个子系统组合完成碎片清除任务，分别是开环的降轨控制保证系统轨道运动正确，闭环的碎片拖船相对运动控制保证系统的构型正确，以及闭环的系统姿态控制保证系统的指向正确。该系统设计完备，但并未指出其在系统振荡，碎片旋转等干扰情况下推力控制律的可靠性和实用性。针对末时刻甩摆控制，文献(Aslanov,V.Swing Principlefor Deployment of a Tether-Assisted Return Mission of a Re-Entry Capsule.Acta Astronautica(2016):154-158)提出了控制系绳原长释放速率，从而在特定点剪断系绳，使碎片获取最小初速度降轨进入大气层的控制方法。

发明内容

本发明公开的一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法要解决的技术问题是：在保证绳系拖曳系统大范围最优轨道转移的同时，使绳系拖曳系统的姿态保持稳定，平稳地将空间碎片移除，同时减少碎片移除过程的燃料消耗。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法，通过拉格朗日方法建立绳系拖曳系统的轨道平面内姿轨耦合动力学模型；采用轨道转移优化求解方法求解转移轨道最优燃料问题，在保证绳系拖曳系统大范围最优轨道转移的同时，使绳系拖曳系统的姿态保持稳定。在绳系拖曳末时刻对碎片实施甩摆释放控制，从而使碎片获取最大初速度，飞向更远轨道，以减少碎片移除过程的燃料消耗，完成碎片的移除任务。本发明能够在保证绳系拖曳系统大范围最优轨道转移的同时，使绳系拖曳系统的姿态保持稳定，平稳地将空间碎片进行移除，此外末时刻的甩摆控制也使碎片飞向更远轨道，减少碎片移除过程的燃料消耗。

本发明公开的一种空间碎片的绳系拖曳最优离轨方法，包括如下步骤：

步骤一：通过拉格朗日方法建立绳系拖曳系统的轨道平面内姿轨耦合动力学模型；