绳系微小卫星的旋转编队飞行

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1、76中国空间科学技术ChineseSpaceScience——andT—echnology2011年2月第1期绳系微小卫星的旋转编队飞行陈志明h3刘海颖3王惠南2冯成涛1(1南京航空航天大学自动化学院，南京210016)(2南京航空航天大学航天学院，南京210016)(3南京航空航天大学高新技术研究院，南京210016)摘要针对三星编队飞行问题，提出一种绳系控制方法，在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上，建立了Thomson和Likins—Pringle平衡构形的绳系三星编队模型，通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件，并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不

2、能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性，并对三种控制策略进行了检验，结果表明Thomson构形无须辅助手段，在满足特定条件下可以稳定运行，Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。关键词编队飞行绳系控制平衡构形微小卫星D0l：10．3780／j．issn．1000-758X．2011．01．011引言微小卫星编队飞行是近年来国内外研究的热点，在科学试验、近地及深空探测等领域有着潜在的应用价值。采用系绳是一种有效的卫星编队方法，不仅可以减少队形保持与控制的燃料消耗，延长编队卫星运行寿命，而且可以提高姿轨控的精度，增加系统稳定性

3、[I-2]。绳系卫星研究已有数十年发展历史，如国际上对绳系卫星回收和释放、星体间载荷传输以及绳系卫星发电与轨道维持等方面都已开展了理论研究和航天实验[3]，早期研究多针对非旋转的两颗卫星的绳系连接，构形简单，而多颗卫星的旋转绳系编队是近年来研究趋势[1_9]。文献[3]针对地球遥感观测任务，对多颗绳系卫星的动力学及控制进行了研究；文献[4]通过仿真指出编队系统的旋转可以使系绳处于拉伸状态，使得系统更加稳定；文献[5]根据三星绳系编队的拉格朗日方程分析了旋转稳定性；文献[6]研究了更加复杂的三维旋转编队构形，在环行编队面的两侧增加2颗星构成纺锤形来增加稳定性；文献[7]针对文献[6]的构形研究

4、了非引力梯度指向时对地观测的编队稳定问题；文献[8—9]研究了采用虚拟结构方法实现三角形绳系编队卫星的姿态控制，并对旋转绳系星体释放进行了仿真和地面实验。本文针对3颗卫星的旋转编队飞行，将自旋刚体卫星的平衡分析扩展到绳系卫星中，对旋转绳系卫星的构形、稳定性及控制进行研究，可供这类卫星系统的编队方法及控制策略参考。2刚体平衡分析对于圆轨道的自旋刚体卫星，存在如图1所示的三种相对平衡状态：圆柱形、双曲线形以及圆锥形‘3_‘^10】，其共同点是卫星的旋转轴相对于轨道坐标系保持固定，其中圆柱形的旋转轴垂直于轨道平面，双曲线形的旋转轴垂直于当地垂线，而圆锥形的旋转轴垂直于轨道切线。国家自然科学基金(6

5、0974107)、南京航空航天大学基本科研业务费专项(NS2010219)收稿日期：2010-06—18．收謦改穑日期：2010-09-13中国空间科学技术圄国◇(a)圆柱形(b)双曲线(c)圆锥形图1轴对称卫星的相对平衡形式Fig．1Relativebalanceformofaxisymmetricsatellite图1(a)实际上为Thomson平衡，而(b)和(c)为Likins—Pringle平衡m]。在1962年Thomson就对自旋卫星在重力梯度作用下建立旋转轴稳定的条件进行了分析，给出了旋转轴与轨道法向一致时参／ct，。与J。／J；的关系，其中参为旋转轴角速率，叫。为轨道角速率

6、，J，为卫星横向惯量矩，f。为自旋惯量矩。Likins-Pringle平衡是Thomson平衡的扩展，可以由线性化的自旋卫星运动模型得到。按照3—1-3的顺序旋转可得到由进动角妒、章动角口以及自旋角驴表示的卫星欧拉运动学方程●叫，=Ocosl90+驴sinosin91．I哟=--Osin9+函sinOc03尹}．(1)．。∞，=妒+妒。卵J式中∞，、∞，和∞。为卫星三轴角速度。卫星在外力矩r=[砖rT!]作用下，动力学方程为J，二，+(f。一J，)ct．∥。=砖1J石，+(j。一I；)ct，，∞。=T!}，(2)J二。=砖J当外力矩为引力梯度矩时有p=成E，其中，C为轨道系到星体系的旋转矩阵

7、，霉为相对轨道系的引力梯度矩，即E=一3皿。5(R×IR)(3)式中卢为地球引力常数；I为卫星惯量矩阵；R为卫星到地心的矢径。当卫星相对于轨道平衡时引人以下假设条件：章动角口为常数，进动角速率≯等于轨道角速率∞。，且p=o以及口=≯=0，在此条件下对运动学及动力学方程线性化处理得到刍=叫。cos0[4(I。一f，)]J。(4)式(4)即为Likins—Pringle平衡条件，其中章动角口等于旋转轴与轨道法向的