[发明专利]一种空间超大规模带状绳系的释放展开控制方法

说明书

一种空间超大规模带状绳系的释放展开控制方法，在传统珠式模型建模基础上，针对每一个绳系单元，采用“并联弹簧‑杆件”离散化建模形式，有效体现不均匀带状存在的扭转弯曲动力学行为，建立了空间超大规模带状绳系系统的动力学模型；在此基础上，考虑大气层高空风等干扰影响，综合轨迹优化、预测控制及干扰观测的姿态稳定控制等方法，实现了基于协调迭代的绳系最优释放轨迹跟踪稳定控制，确保空间超大规模带状绳系从地球同步轨道处稳定释放于地面预定点。

技术领域

本发明涉及一种空间绳系的动力学建模与展开控制方法，尤其涉及一种空间超大规模带状绳系的释放展开控制方法，属于飞行器动力学与控制技术领域。

背景技术

天梯是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型运输系统，其通过一根或多根带状绳系将地球表面的节点与位于地球同步轨道上方的空间节点连接，通过运行于绳系上的攀爬装置将有效载荷送入空间。天梯系统能够显著降低空间运输、轨道转移等任务的发射成本，同时提升任务的可靠性，将对空间运输带来革命性变化。

超大规模带状绳系(长度约为100000km规模)的稳定展开是天梯系统应用与运行的基础与关键。然而，该展开过程覆盖地面到高轨，跨域性强，干扰因素复杂，包括大气干扰、高空风干扰等，同时绳系阻尼小、柔性大，规模巨大、且呈带状形状，这些将导致绳系动力学形式异常复杂，如不施加合适的控制策略，不仅无法保证绳系到达预定的地面，甚至可能会出现大幅摆动导致系统失稳。

而目前在空间绳系展开技术研究方面，仅聚焦于小规模绳系(不大于几十km规模)，动力学形式较为简单，多采用刚性杆模型或珠点模型，控制方法易于设计，而面对以天梯为代表的超大规模带状绳系展开过程，这种面向空间绳系卫星的小规模绳系展开过程的动力学建模方法无法合理描述其绳系的动力学行为，且控制技术不再适用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种空间超大规模带状绳系的释放展开控制方法。

本发明的技术解决方案：

一种空间超大规模带状绳系的释放展开控制方法，空间超大规模绳系系统包括本体飞行器B，末端飞行器S，以及连接两飞行器的超大规模绳系，包括如下步骤：

(1)获取任务参数，包括释放过程最大容许释放拉力T_max，绳系到达地面的预定位置r_ref，空间段的绳系离散数目n₁，预测控制的控制周期T_MPC，绳系全长L；

(2)获取绳系系统参数，包括本体飞行器质量m_B，本体飞行器的转动惯量I_B，绳系释放装置在本体飞行器上的安装矢量r_B,0，末端飞行器的质量m_S，末端飞行器的转动惯量I_S，绳系固定端相对于在末端飞行器质心的位置矢量r_S,n；

(3)基于刚性杆模型完成释放展开最优轨迹求解，获取绳系拉力最优控制序列本体飞行器最优释放轨迹本体飞行器最优释放速度末端飞行器最优释放轨迹末端飞行器最优释放速度

(4)判断当前时刻t_k末端飞行器是否已进入大气层内，k＝0,1,2...，即判断|r_S(t_k)|-R_G≤120km，若进入，那么进入步骤(6)，否则，进入步骤(5)；其中r_S(t_k)为当前时刻t_k的末端飞行器位置矢量，R_G为地球同步轨道的轨道高度；