电动力绳系卫星系统长期离轨动力学建模与控制设计方法

本文针对电动力绳系卫星系统的长期离轨问题,研究离轨过程中系统的非线性动力学建模以及离轨控制设计方法。基于哑铃模型假设,进行系统的姿态动力学建模。为提高动力学建模精度,计入电动力、大气阻力和地球J_(2)摄动等动力学载荷对系统轨道运动的影响,采用修正的非奇异轨道要素描述系统的轨道动力学。针对离轨的动力学控制问题,提出了常值电流输入、方向可变的电流输入和最优控制三种电流控制设计方法,通过系绳电流设计调节电动力载荷实现离轨机动。在最优控制设计方法中,构建了带非线性约束的动力学反问题,基于非线性规划算法求解该反问题,得到最优控制参考轨迹,通过闭环反馈跟踪修正电流进行离轨。另外,提出了一种基于能量的电流开关控制策略辅助离轨,以保持系统姿态稳定和高效地利用电动力。为高效离轨对系统进行了动力学设计,并通过仿真算例对比分析了控制方法的离轨效率,验证了控制方法的有效性。

考虑面内外摆角对电动绳系离轨过程的参数影响分析

利用电动绳系实现空间碎片自主离轨有广阔的应用前景。受洛伦兹力矩和重力梯度力矩作用,绳系姿态将在当地垂线附近振荡。首先采用拉格朗日法建立电动绳系面内外姿态动力学模型;随后结合国际地磁场模型,给出洛伦兹力和洛伦兹力矩的计算方法;最后结合姿态动力学模型和高斯摄动方程,建立了电动绳系离轨数值仿真模型,在考虑无摆角、仅有面内摆角、有面内外摆角的条件下,对电动绳系离轨过程进行仿真对比。仿真结果说明,电动绳系姿态振荡对离轨有明显影响,只有考虑绳系姿态,才能精确预测轨道参数的变化。

电动力系绳离轨系统关键技术简析

空间碎片引起的恶劣空间环境迫使人们研究低成本、高效率的离轨技术。文章对低地球轨道空间碎片清除技术之一——电动力系绳离轨技术的研究进行综述,首先介绍电动力系绳离轨系统的国内外研究现状,然后描述系统的动力学与控制的研究内容,预测系统离轨时间,详述系统离轨装置设计内容,最后对电动力系绳离轨系统未来的发展以及重点、难点做出展望。

绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性

在空间绳网的绳系组合体拖曳变轨运动控制中,系绳张力控制策略需要有一套卷扬机构及张力检测控制装置,将增加机构的质量、复杂度和成本,并降低操作可靠性。提出仅利用拖船飞行器上的三轴正交喷嘴控制策略,可同时实现拖曳离轨中的相对运动控制和系统质心的轨道控制,而系绳张力只作为约束,推导了组合体拖曳离轨的三维空间运动动力学模型,给出了一种准霍曼拖曳离轨控制方法,完成了同步轨道废弃目标拖曳离轨方案的初步可行性仿真验证,并给出了拖曳过程的喷气力、燃料消耗量指标,可供空间绳网研究参考。

电动力绳系火箭末级离轨系统动力学与控制研究

电动力绳系离轨技术是一项新颖的被动离轨技术,因其推进剂消耗低、效率高等优势,特别适用于火箭末级快速离轨任务,但也带来了动力学与控制方面的挑战。本文在分析电动力绳系火箭末级离轨任务特点基础上,针对离轨过程的系绳释放开展阶段和电动力辅助离轨阶段,开展了动力学建模及具有工程实用性的控制方案设计,并通过数值仿真验证了方案有效性。最后介绍了电动力绳系离轨系统动力学与控制的国内外试验验证进展,并提出了含末级姿态模拟器的系绳释放地面试验系统方案设想,为后续我国推动电动力绳系离轨技术的进展提供了参考。

GEO卫星寿命末期异常情况下离轨控制策略

为及时有效处置卫星寿命末期在轨突发情况,有针对性地做好卫星离轨的各项准备,控制与减小突发异常危害和不良影响,根据离轨控制要求,对异常情况下实施离轨的控制策略进行分析,提出了在燃料受限情况下"小步逼近"的多批次双脉冲离轨控制策略,以及在离轨控制时间受限情况下"大步远离"的短时间大控制量离轨控制策略,并通过仿真对控制策略进行了验证。结果表明,"小步逼近"控制策略能在燃料受限时尽可能地逼近坟墓轨道,"大步远离"控制策略能在较短的时间内将卫星送入坟墓轨道,该策略适用于GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星寿命末期异常情况下的离轨控制。

基于ALPSO算法的低轨卫星小推力离轨最优控制方法

低轨卫星在到寿后,需要在一定时间内离轨,而轨道高度高于800 km的卫星难以在自然条件下离轨。为了使卫星在规定时间内离轨,提出一种基于增广拉格朗日粒子群优化(augmented Lagrangian particle swarm optimization,ALPSO)算法的低轨卫星小推力离轨最优控制算法。首先依据小推力的特点列出摄动方程,并利用哈密尔顿方程求出带协状态参数的最优控制率。而后分别阐述了粒子群算法和增广拉格朗日方法,并据此得出了算法流程。最后与遗传算法的优化结果进行对比。结果表明,ALPSO算法迭代次数较少,收敛精度较高,降低轨道高度的第一种处置轨道适用于轨道高度821 km的卫星离轨,离轨时间为857天。该算法可用于低轨卫星小推力离轨问题的求解。

火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。