辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252016V01．37No．92809—2819ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控制策略苏飞，翟光*，张景瑞，张尧北京理工大学宇航学院，北京100081摘要：提出了圆轨道辐射开环绳系卫星编队的展开控制策略。首先采用拉格朗日方程建立了辐射开环绳系卫星编队的展开动力学模型，分析了主星姿态与绳长在展开过程的动力学耦合关系；随后以建立的动力学模型为

2、基础，分别研究了编队在重力梯度力补偿和无补偿两种情况下的自旋展开控制策略，通过规划绳系释放速度、主星自旋角速度等变量，实现了绳系编队的有效展开；最后搭建了编队自旋展开的动力学模型，通过数值仿真对所提出的展开策略进行验证，仿真结果表明：在重力梯度力矩补偿和无补偿的情况下，所提出的展开控制策略能够保证编队稳定展开。关键词：绳系卫星编队；主星姿态；重力梯度力；自旋展开；构型稳定中图分类号：V445．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)09—2809—11绳系卫星编队在空间发电、空间操作、空间大型结构构建等方面具有特殊优势[1。3]。绳系卫

3、星编队的构型有多种类型，“辐射开环”是一种新型的编队构型。辐射开环绳系卫星编队由中心主星和用绳系连接到主星的多颗子星组成，主星通过执行机构产生自旋运动，利用自旋运动产生的离心力使绳系张紧带动编队以一定的角速度在空间自旋：这种由离心力维持构型的设计一方面能够减少燃料消耗，同时系统通过自旋又能获得较高的稳定性，另一方面系统的自旋运动和绳系的收放及控制都可由主星实现，控制方式简单、任务灵活。国内外学者对多体绳系卫星编队的动力学与控制问题进行了广泛的研究，同时对部分研究成果进行了飞行验证。Kalantzis等n劫结合BI—CEPS任务和OEDIPUS任务分析了

4、绳系编队的旋转运动，并采用Lagrange方程推导得出编队动力学方程；Misra等口。1对多体绳系编队进行了分析，仿真验证了不同构型绳系卫星编队的旋转稳定性，并提出了平面三体编队的4个平衡构型，给出了多体编队中绳系的面内外摆动频率；文献ElO一111研究了辐射开环空间机器人编队动力学与控制问题，并通过绳系张力与自旋运动的控制，实现了编队系统自旋稳定；文献E12—15]研究了主星与子星连线和主星与地球连线的夹角随时间变化规律，提出多种反馈控制方法来抑制绳系展开阶段与稳定阶段的振动，并实现系统快速变轨；WilliamsLl61考虑了科里奥利力和重力梯度力对

5、闭环绳系卫星编队旋转展开与回收控制的影响，提出了一种编队有效展开和回收的最优控制方法；文献[17—191分析了二体绳系卫星编队展开过程姿态稳定的条件和范围，但未对多体编队的旋转展开及稳定性进行研究；Mattias和Gun—nar[2”2妇将柔性网结构简化为可变长度的多绳系收稿日期：2015—09—15；退修日期：2015—11—04；录用日期：2016-01-15；网络出版时间：2016-02—0208：49网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160202．0849002．html基金项目：国家自然科学

6、基金(11102018)；国家“863”计划(2013AA7042018)*通讯作者．Tel：010—68918054E-mail：gzhai@bit．edu．CR引雨接武I苏飞．翟光．张景瑞．等．辐射开环绳系卫星编队自旋展开动力学与控钢策略[J]航空学报·2016，37(9)：2809-2819SUF．ZHAIG，ZHANGJR，etal．Dynamicsandcontrolduringspinningdeploymentforhub-and-spokeconfiguredmulti-tetheredsate／-liteformation[J9．Ac

7、taAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(9)；2809-2819航空学报Sep．252016V01．37No．9结构，采用有限元法研究了空间柔性网自旋展开与控制。然而，多数已有研究成果在研究绳系编队的动力学特性时，均将编队成员考虑为质点，使得其动力学模型无法反映成员姿态运动和系统构型之间的相互关系；而忽略重力梯度力则无法准确分析展开过程编队的稳定性及绳系的运动特性，因此其研究成果有明显的局限性。本文针对辐射开环绳系卫星编队自旋展开控制问题，首先在考虑编队平面自旋运动的条件下，建立了含主星姿态的系统动力学模型，

8、分析了展开过程中主星自旋运动与绳长变化之间的耦合关系；在此基础上，提出了重力梯度力补偿条件下，