[发明专利]一种最少传感器布局下的大尺度柔性系绳三维摆角高精度估计方法

说明书

本发明提供了一种最少传感器布局下的大尺度柔性系绳三维摆角高精度估计方法，以实现最少传感器布局下的柔性系绳三维摆角高精度估计。本发明以二体绳系卫星系统为模型展开研究，首先采用珠点法对系绳进行离散并基于牛顿法建立二体绳系卫星系统动力学模型，然后开发了一种改进型平方根无迹卡尔曼滤波(IUKF)并对本发明提出方法的可行性进行了严格的证明，最后采用三次B样条曲线对获得的系绳珠点三维位置状态高精度进行拟合并处理后即可获得系绳的三维摆角。

技术领域

本发明属于大尺度柔性系绳三维摆角估计技术领域，具体涉及一种千米级空间柔性系绳在最少传感器布局条件下的三维摆角高精度估计方法。

背景技术

空间系绳在灵活性、生命周期和功能拓展等方面优势显著，成为近年来国内外航天领域的研究热点之一。空间绳系系统由多根系绳将卫星连接组成，因此，空间绳系系统在空间实验、空间资源探索、对地观测以及空间攻防等任务中具有广泛应用前景，掌握空间绳系技术对推动我国空间技术发展具有重大的战略意义，必须尽快开展相关的基础理论和技术研究。

系绳的利用是空间绳系系统最重要的特征，相对于其他结构，系绳具有质量轻、阻尼小、抗拉强度高、柔软性好、大尺度及易卷取等特征，其在空间具有很大的应用优势。在日常生活中系绳亦有很大应用范围，例如：两电线杆之间连接着输电线、桥柱与桥墩之间连接着拉索，上述这些就可以看成是一个两端固定的绳系系统；纺织机两络筒之间连接着纺织线、电梯起重机与电梯厢之间连接着钢丝绳以及带动观光缆车运动的缆绳与缆车这些也是绳系系统。但是，系绳柔软、易发生大变形，不仅表现出蠕变、非线性刚度和阻尼、塑性变形等非线性现象，而且在周期往复加减载时还表现出明显的迟滞效应，因而系绳具有复杂的动力学特性。其动力学特性不仅在微观上与材料本身的分子结构有关，宏观上与系绳的缠绕编制方式等也有很大的关系，一般很难建立能完全表现系绳特性的精确模型。

在现有的绳系卫星研究中，研究者一般根据各自所侧重的问题，采用各种简化的模型对系绳进行描述。从对具有无限维自由度系绳的离散程度上来分，现有的模型大致可分为三种类型：刚性杆模型、珠点模型和连续体模型。空间绳系系统在轨运行时，系绳将会产生面内，面外的摆动和纵向、横向的振动，并且系绳的展开是一个临界稳定的过程，当展开速度超过临界速度时系统将会变得不稳定，而系绳的回收过程由于负阻尼存在始终是不稳定的。系绳的摆动运动与空间绳系系统的轨道运动和系绳两端卫星的姿态运动产生耦合，从而影响系统的轨道运动和卫星的姿态运动。由于系绳的摆动影响，将会导致系绳两端卫星的振动，因此需要对绳系系统加以稳定，这需要知道系绳的摆动信息，但是如何获得系绳的面内、面外摆角及其相应角速率是一个需要解决的工程难题。

因此，本发明针对一类大尺度柔性系绳，在仅使用两个低成本惯性传感器(例如：GPS传感器)条件下实现柔性系绳三维摆角的高精度状态估计。

发明内容

本发明提供了一种最少传感器布局下的大尺度柔性系绳三维摆角高精度估计方法，目的是实现最少传感器布局下的柔性系绳三维摆角高精度估计。本发明以二体绳系卫星系统为模型展开研究，首先采用珠点法对系绳进行离散并基于牛顿法建立二体绳系卫星系统动力学模型，然后开发了一种改进型平方根无迹卡尔曼滤波(IUKF)并对本发明提出方法的可行性进行了严格的证明，最后采用三次B样条曲线对获得的系绳珠点三维位置状态高精度进行拟合后获得系绳的三维摆角。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种最少传感器布局下的大尺度柔性系绳三维摆角高精度估计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)建立二体绳系卫星系统的状态空间模型，即获得二体绳系卫星系统的状态方程；

2)基于步骤1)的状态空间模型设计滤波算法，获得二体绳系卫星系统的状态；

3)根据二体绳系卫星系统的状态，进行曲线拟合，获得二体绳系卫星系统的大尺度柔性系绳的三位摆角。