[发明专利]一种空间碎片消旋控制方法

说明书

本发明公开了一种空间碎片消旋控制方法，基于绳系系统捕获空间碎片，绳系系统为由母星、空间碎片和连接于母星与空间碎片之间的系绳组成的组合体，在对目标即空间碎片消旋的过程中，监测目标与母星的速度，当目标的速度大于母星的速度时，通过推进器调整母星的位置，防止目标与母星相撞。上述方法与传统对系绳状态检测，一旦系绳没有拉直就打开推进器调整母星位置的方法相比，避免了目标与主星距离拉近但速度相同不会相撞时调整主星位置的燃料浪费，节省了主星燃料的消耗，且无须每次都打开所有的推进器，进一步节省了主星燃料，同时也更加有利于维持系统的稳定性，保证目标与母星安全离轨。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种空间碎片消旋控制方法。

背景技术

根据美国卫星监测网络记录显示，目前地球轨道中大于10厘米的空间碎片数量已超过两万片，这无疑对在轨航天器形成巨大威胁。柔性连接捕获法是空间碎片主动移除最有效的方法之一。该方法是指捕获目标后主星与目标是通过柔性介质连接，通常为系绳。柔性连接捕获法具有轻质，发射成本低，作用距离远等特点。常用的柔性连接捕获法包括飞网捕获法，飞爪捕获法，鱼叉法等。由于空间碎片残留角动量的存在，其往往在空间做自旋运动。利用柔性连接捕获法成功捕获此类目标后，需通过系绳对目标进行消旋处理，否则容易导致目标缠绕系绳而与主星相撞。

在现有的绳系消旋控制系统中，控制算法往往比较复杂且传统方法需对系绳状态不断检测，一旦系绳没有拉直就打开推进器调整母星位置使系绳处于拉直状态，需要推进器的不停作动，但是系绳没有拉直只是说明主星与目标的距离比系绳拉直的状态变近，如果速度依然同步也不会发生相撞，因此依据系绳是否拉直就做出调整，导致了主星燃料的极大浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间碎片消旋控制方法，能够通过有限的推进器数量进行有限次数的动作，将目标的角速度在短时间范围内降低至零附近，大大节省了主星上宝贵的燃料，且防止目标与主星距离过近相撞，保证主星与目标组成的系统安全离轨。

本发明的具体技术方案如下：

一种空间碎片消旋控制方法，用于绳系系统捕获空间碎片，所述绳系系统为由母星、空间碎片和连接于母星与空间碎片之间的系绳组成的组合体；在对目标即空间碎片消旋的过程中，监测目标与母星的速度，当目标的速度大于母星的速度时，通过推进器调整母星的位置，防止目标与母星相撞；当目标的速度小于或者等于母星的速度时，目标与母星不会相撞，无需调整母星的位置；

目标的速度和母星的速度均包括x,y,z三个方向的速度分量，当目标只有其中一个方向的分量速度大于母星在对应方向的分量速度时，只打开对应速度分量方向的推进器，对母星的位置做出调整。

进一步地，通过监测目标与母星的速度，对母星的位置做出调整，包括以下步骤：

步骤一、建立组合体动力模型，包括系绳动力学模型、母星动力学模型和目标动力学模型；

步骤二、根据母星动力学模型，利用PD控制算法求解出母星的动量轮输出控制力矩，对母星的姿态进行控制；

步骤三、根据监测的速度情况，通过推进器对母星的位置进行控制，其中，根据目标与母星的速度差ΔV和调整速度差所期望的时间Δt，决定推进器的推力F_thru的大小。

进一步地，所述系绳动力学模型表示为：

其中，m为系绳的集中质量，r为系绳的位置矢量，为系绳位置矢量r对时间的二阶导数；n为与P点相连的节点个数；T_j为对应的系绳对P点的拉力，G为P点所受空间微重力矢量,F_k为P点所受其他外力，p为P点所受外力的个数，P点是系绳中主绳和子绳的连接点；

所述母星动力学模型表示为：