[发明专利]一种基于绳系收放装置的拖曳离轨方法

说明书

本发明公开了一种基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，在对目标星的整个拖拽过程中，利用任务星上的绳系收放装置输出恒定的小张力，保持连接于任务星和目标星之间的系绳张紧；具体包括以下步骤：步骤1：建立任务星和目标星各自的质心动力学方程和姿态动力学方程，以及系绳的动力学模型；步骤2：以拖曳方向为目标进行组合体姿态机动；步骤3：任务星通过系绳拖曳目标星离轨，期间控制组合体姿态，使其朝向拖曳方向。本发明基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，利用绳系收放装置产生恒小张力，既保证系绳张紧无缠绕风险，也保证系绳张力不会过大无断裂风险，将抓捕目标稳定安全地拖曳至坟墓轨道。

技术领域

本发明涉及绳系组合体拖曳离轨控制技术，具体涉及一种基于绳系收放装置的拖曳离轨方法。

背景技术

地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)因其相对地面静止的特殊性具有广泛的应用价值，是一项非常重要的稀缺资源，在各航天国的空间战略中具有举足轻重的地位。随着各国对通信、广播、气象、导航等领域需求的增长，进入这一有限空间内的飞行器越来越多，愈加拥挤，GEO轨道垃圾清除的需求显得尤为迫切。

空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，它们和航天器的碰撞将改变航天器的性能，造成表面器件损伤，导致航天器系统故障，影响航天器寿命。通过飞网捕获目标并将目标拖曳至坟墓轨道，是一种新兴的清理轨道垃圾的方案，并且由于其适应性强，可重复使用等特点受到了广泛的关注和研究。

绳网捕获目标后，操控飞行器和目标飞行器构成以系绳为连接介质的柔性组合体，该组合体在空间的运动涉及到组合体质心的轨道运动、操控飞行器和目标飞行器的两体相对运动以及二者之间的耦合动力学，如何高效安全地将柔性组合体移除成为研究重点。由于系绳具有阻尼小、柔性大的特点，其动力学及控制问题非常复杂，当它被置于空间环境并与航天器耦合时极易产生一系列复杂的摆动及振动。在进行拖曳移除控制方案设计时，需在考虑安全因素的基础上，保证实际工程应用上的可行性并满足相关控制性能指标。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，以通过绳系收放装置产生恒小张力，将抓捕目标稳定安全地拖曳至坟墓轨道。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，其中，在对目标星的整个拖拽过程中，利用任务星上的绳系收放装置输出恒定的小张力，保持连接于任务星和目标星之间的系绳张紧；具体包括以下步骤：

步骤1：建立任务星和目标星各自的质心动力学方程和姿态动力学方程，以及系绳的动力学模型；

步骤2：以拖曳方向为目标进行组合体姿态机动；

步骤3：任务星通过系绳拖曳目标星离轨，期间控制组合体姿态，使其朝向拖曳方向。

上述的基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，其中，步骤1中，地心惯性系下任务星和目标星各自的质心动力学方程为：

其中，μ为地球引力常数，r_m为任务星质心在惯性系中的矢量，r_t为目标星质心在惯性系中的矢量，M_m为任务星质量，M_t为目标星质量，F_th为任务星上施加的轨控推力，F_T为系绳张力。

上述的基于绳系收放装置的拖曳离轨方法，其中，步骤1中，任务星与目标星各自的姿态动力学方程为：