[发明专利]一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法

摘要

本发明公开了一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法，该方法在空间绳系抓捕系统抓捕空间非合作目标后，在后抓捕阶段和回收阶段对目标动力学参数进行辨识并在此基础上完成自适应回收控制。首先，提出了一种参数辨识方法在后抓捕期对空间非合作目标的质量进行初步辨识。然后，根据不同的回收控制算法对参数辨识的影响，提出一种最适合的控制算法。最后，在基于后抓捕阶段的初步的参数辨识结果的基础上，完成空间非合作目标回收过程中的自适应控制。

主权项

一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用拉格朗日法推导“空间机动平台‑系绳‑空间非合作目标”复合体的动力学方程；“空间机动平台‑系绳‑空间非合作目标”复合体的动力学方程的推导方法具体如下：空间系绳抓捕系统由释放出绳系终端抓捕器的本体卫星，在空间轨道运行的被抓捕目标卫星，以及连接两个卫星的系绳所构成；其中m1，m2，mt分别为本体卫星、目标卫星和系绳的质量；地心指向空间系绳抓捕系统质心C的矢量Rc是由真近点角γ和径向坐标Rc定义的；R1，R2，Rt分别是由地心指向本体卫星质心，目标卫星质心和系绳上任意一质点的位置矢量；轨道坐标系C‑x0y0z0作为一个旋转坐标系，其原点即为空间系绳抓捕系统质心，x0轴沿质心矢量Rc并指向地心反方向，y0轴垂直于x0轴并与其共同构成轨道平面，z0轴满足右手定则；旋转坐标系C‑xyz为系统的本体坐标系，这个旋转坐标系的原点分别为空间系绳抓捕系统质心；其中，本体坐标系x‑y‑z是从轨道坐标系x0‑y0‑z0绕z0轴旋转面内角α，再绕瞬时坐标轴y′旋转面外角β得到的，且假设这两次旋转是瞬时连续完成的，α即为系绳的面内摆角，β是系绳的面外摆角；地心到本体卫星、目标卫星和系绳上任意质点的矢量位置分别为：R1＝RC+r1 (1)R2＝RC+r2 (2)Rt＝RC+rt (3)其中，r1，r2和rt分别是系绳的质心到本体卫星的系绳连接点、目标卫星的系绳连接点和系绳上任意一质点的位置矢量，r1＝r1i，r2＝‑r2i，rt＝(s‑r2)i；其中r1和r2分别是空间系绳抓捕系统质心与两个卫星的系绳连接点的距离，s是绳上任意一点到目标卫星的系绳连接点的距离；R1，R2，Rt和RC满足系统质心定理：m1R1+m2R2+∫mtRt=(m1+m2+mt)RC---(4)]]>需要指出的是，由于系绳是由本体卫星释放/回收的，所以有：m·1=-m·t---(5)]]>空间系绳抓捕系统由于移动而产生的动能为：其中，R·1=R·C+(-r·1i+ω×r1)---(7)]]>R·2=R·C+(r·2i+ω×r2)---(8)]]>R·t=R·C+(-r·ti+ω×rt)---(9)]]>其中，ω是空间系绳抓捕系统的旋转角速度；由于已经假设空间系绳抓捕系统的质心满足开普勒圆轨道，是轨道角速度，RC是空间系绳抓捕系统质心在惯性坐标系下的矢量的标量值；从而得到空间系绳抓捕系统的动能为：其中，为质量特性参数，M为系统的总质量；空间系绳抓捕系统的势能可表示为：其中μ是地球的引力常量；为了公式的简化，将公式(1)～(3)带入公式(11)，并逐项展开；以1/|R1|为例，其展开过程如下：1|R1|=1|RC+r1|=RC-1[1-i0r1RC-r1r12RC2+3(icr1)22RC2]---(12)]]>展开后省略所有|ri|/Rc的高阶项，其中ri分别为r1，r2和rt；根据公式(4)系统质心定理，对展开后的空间系绳抓捕系统势能进行整理，得到系统的势能为：V=-μMRc+μ2Rc3m*l2(1-3cos2αcos2β)---(13)]]>其中l是系绳长度；空间系绳抓捕系统的Lagrangian方程为：L=12MRc2γ·2+12m*l2[β·2+(γ·+α·)2cos2β]+12m‾l·2+μM/Rc-(μm*l2/2Rc3)(1-3cos2αcos2β)---(14)]]>为了使得到的动力学方程更利于仿真分析，在通过拉格朗日法得到了空间系绳抓捕系统的动力学方程后，对所有方程进行无量纲化，具体的无量纲化定义为：A=l/Lr,τ=γ·t,()′=d()/dτ---(15)]]>其中，Lr是参考系绳长度，在后抓捕和回收过程中通常被定义为回收前的原始绳长；τ是无量纲时间，是轨道角速度；得到的空间系绳抓捕系统无量纲条件下的系绳面内摆角、面外摆角和系绳长度的动力学公式为：α′′=2(1+α′)[β′tanβ-(Λ′/Λ)]-3sinαcosα+Qα/(m*Λ2Lr2cos2βγ·2)---(16)]]>β′′=-2(Λ′/Λ)β′-[(α′+1)2+3cos2α]sinβcosβ+Qβ/(m*Λ2Lr2γ·2)---(17)]]>Λ′′=(m*/m‾)Λ[(1+α′)2cos2β+β′2+3cos2αcos2β-1]+QΛ/(m‾γ·2Lr)---(18)]]>其中，是轨道角速度；Qβ，Qα和QΛ都为广义力；在此推导中，QΛ即为系绳的拉力，具体表示为QΛ＝‑T；2)抓捕后停留段的姿态动力学分析；3)后抓捕阶段的空间非合作目标质量参数辨识；4)空间非合作目标回收阶段的自适应控制。