[发明专利]一种空间绳系编队的稳定展开控制方法

说明书

本发明提出了一种空间绳系编队的稳定展开控制方法，首先通过将编队系统的动能、势能代入拉格朗日动力学方程，建立三角构型空间绳系编队的动力学模型，其次根据得到的三角构型空间绳系编队动力学模型，确定三角构型空间绳系编队稳定展开控制律。本发明在建立三角构型空间绳系编队的动力学模型时，在传统质点连杆模型的基础上，考虑了系绳中的弹性，充分保留了系统的柔性。而且本发明在三角构型空间绳系编队的稳定展开控制中，综合考虑了系绳长度和自转角速度，使系统能以一个边旋转边伸长的状态稳定的展开，有利于编队后续各种空间任务的完成。

技术领域

本发明属于多航天器编队系统控制技术研究领域，具体涉及一种三角构型空间绳系编队的稳定展开控制方法。

背景技术

空间绳系编队通过系绳将多颗卫星连接起来形成特定结构，不仅具有传统多航天器系统成本低、性能好、可靠性高、灵活性强的特点，而且具有在精确定位的同时可降低燃料消耗、提高寿命等优点，继而被广泛应用于对地观测和对地定向等空间任务中。

典型的一个三角形空间绳系编队是由三颗卫星和三根系绳相隔串联而成的平面三角形封闭系统。该系统在发射到空间后需要从进行系统展开控制，在展开过程中，系绳长度从几米逐渐展开到几百米甚至几千米不等，并在展开过程中，系统需要通过自转以维持编队构型的稳定。

由于系统动力学具有非线性、强耦合的特点，系统的展开不仅包括系绳的完全释放，还包括系统的自转，因此如何实现系统的稳定展开是一个较为困难的问题，目前还没有相关在前技术对这一展开过程进行研究。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，实现三角形空间绳系编队的稳定展开，为完成相关空间任务提供保障，本发明提出了一种三角构型空间绳系编队的稳定展开控制方法，为空间绳系编队的实际展开提供了一个可行的方案，为编队系统顺利执行对地观测和对地定向等空间任务奠定了基础。

本发明的技术方案为：

所述一种空间绳系编队的稳定展开控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立三角构型空间绳系编队的动力学模型：

步骤1.1：建立编队系统的动能T为

其中m是编队系统的总质量，ω是编队系统绕地球旋转的角速度，R₀是地心到编队系统质心的距离，l₁、l₂分别是编队系统中系绳1和系绳2的长度，分别为系绳1和系绳2的长度变化率，θ₁、θ₂分别是系绳1、系绳2与轨道坐标系x轴正向的夹角；所述轨道坐标系o-xyz的原点o始终位于编队系统质心，x轴始终沿着地心指向编队系统质心的方向，y轴在轨道面内垂直x轴并指向编队系统前进的方向，z轴由右手坐标准则确定；

建立编队系统的势能V，其中势能V包括重力势能V₁和弹性势能V₂，重力势能V₁表示为：

弹性势能V₂表示为：

其中：l₃＝[l₁²+l₂²+2l₁l₂cos(θ₁-θ₂)]^1/2是编队系统中系绳3的长度，l₀是编队系统中系绳未弹性拉伸时的原始长度，EA为系绳的弹性系数；系数e_i表示为：