空间翻滚目标绳系捕获后消旋及离轨控制方法研究
发布时间：2025-05-20 05:37
空间碎片由于其巨大的动能,对在轨正常运行的航天器以及航天员太空活动都构成了严重的威胁。由于碰撞级联效应,当空间碎片数量到达某个点后,会导致碰撞频繁发生,空间碎片数量急剧上升而彻底失控。对于GEO轨道同样如此,若发生碰撞碎片将永久驻留,长此以往,GEO轨道的珍贵轨道资源将不复存在。主动碎片清除以大型失效航天器为目标,从源头切断次级碎片的生成,是一种有效的空间碎片减缓手段,特别是随着发射数量的日益增长,对碎片主动清除的需求日趋紧迫。空间目标若发生姿控故障而乱喷或在残余角动量的作用下,会出现翻滚的现象,给航天器捕获及变轨带来了很大挑战,尤其是在近距离下对服务航天器的安全构成严重威胁。本文以碎片主动清除任务为背景,研究了采用携带系绳的鱼叉装置捕获目标后的翻滚减缓和离轨控制问题,由于服务航天器不会直接接触目标,保证了平台的安全,主要研究工作如下:针对采用系绳张力对目标消旋的问题,采用牛顿欧拉法建立了服务航天器和目标航天器的姿态动力学模型和质心相对运动模型,模型考虑了系绳张力产生的力矩对两航天器姿态的影响。目标包括刚性航天器和携带挠性附件的情形。质心相对运动方程考虑了系绳的拉力,建立了类似CW方程的...
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究目的与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间碎片主动清除研究现状
1.2.2 空间绳系系统的应用设想
1.2.3 绳系卫星系统试验
1.2.4 空间绳系系统动力学建模及控制
1.2.5 绳系系统应用的巨大挑战
1.3 空间系绳系统与在轨服务
1.4 论文主要内容
第2章 空间绳系系统消旋及离轨动力学建模
2.1 引言
2.2 TST系统坐标系定义
2.3 服务航天器与目标的姿态运动学方程
2.3.1 刚性目标姿态动力学方程
2.3.2 挠性目标姿态动力学方程
2.3.3 姿态运动学方程
2.4 两航天器质心相对运动方程
2.5 广义坐标形式的绳系系统动力学方程
2.6 系绳动力学
2.6.1 无质量系绳系统
2.6.2 考虑系绳质量系统
2.6.3 系绳释放回收装置
2.7 系统质心运动方程
2.8 电动绳系广义力
2.8.1 非倾斜偶极子地磁场模型
2.8.2 国际地磁参考场
2.8.3 电动绳系的电动力
2.9 轨道摄动
2.9.1 大气阻力摄动
2.9.2 地球扁率摄动
2.9.3 太阳光压摄动
2.9.4 日月引力摄动
2.10 本章小结
第3章 基于T-S模糊方法的绳系系统消旋稳定控制
3.1 引言
3.2 T-S模糊模型
3.3 服务航天器偏差动力学模型
3.3.1 系绳张力控制律设计
3.3.2 服务航天器姿态偏差动力学模型
3.3.3 服务航天器位置偏差动力学模型
3.4 T-S模糊制导模型与控制模型
3.4.1 T-S模糊制导模型
3.4.2 服务航天器位姿T-S模糊控制模型
3.5 目标航天器转动惯量辨识
3.6 数值仿真
3.7 本章小结
第4章 基于神经网络的挠性目标绳系系统消旋控制
4.1 引言
4.2 挠性目标消旋策略
4.3 神经网络模型
4.3.1 BP神经网络
4.3.2 BP网络离散化预测
4.3.3 基于BP网络权值的离散化
4.3.4 状态可测系统控制量规划
4.3.5 输出反馈系统模型构造及控制器设计
4.4 服务飞行器制导与跟踪控制
4.4.1 张力控制律
4.4.2 服务航天器位置制导
4.4.3 服务航天器位置跟踪控制
4.5 挠性目标消旋仿真
4.5.1 目标名义模型辨识
4.5.2 挠性目标消旋控制结果
4.6 本章小结
第5章 空间绳系系统消旋路径规划
5.1 引言
5.2 系绳阻尼展开法
5.3 基于伪谱法的优化方法
5.3.1 Radau伪谱法
5.3.2 消旋问题描述
5.4 序列凸优化优化方法
5.4.1 绳系消旋凸优化问题
5.4.2 闭环控制
5.5 数值仿真结果
5.5.1 系绳展开法
5.5.2 模型验证
5.5.3 Radau伪谱规划
5.5.4 序列凸优化规划方法
5.6 本章小结
第6章 空间绳系系统离轨策略研究
6.1 引言
6.2 碎片清除原则
6.3 基于化学推进的离轨
6.3.1 高轨目标清除方案
6.3.2 高轨目标长期运动特性
6.3.3 低轨目标主动清除方案及轨道寿命
6.4 基于电动系绳的低轨目标离轨
6.4.1 长绳系系统的稳定性
6.4.2 电动绳系的控制能力
6.5 数值仿真
6.5.1 LEO目标化学推力离轨
6.5.2 GEO目标化学推力离轨
6.5.3 电动绳系系统离轨
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：4046932
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究目的与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间碎片主动清除研究现状
1.2.2 空间绳系系统的应用设想
1.2.3 绳系卫星系统试验
1.2.4 空间绳系系统动力学建模及控制
1.2.5 绳系系统应用的巨大挑战
1.3 空间系绳系统与在轨服务
1.4 论文主要内容
第2章 空间绳系系统消旋及离轨动力学建模
2.1 引言
2.2 TST系统坐标系定义
2.3 服务航天器与目标的姿态运动学方程
2.3.1 刚性目标姿态动力学方程
2.3.2 挠性目标姿态动力学方程
2.3.3 姿态运动学方程
2.4 两航天器质心相对运动方程
2.5 广义坐标形式的绳系系统动力学方程
2.6 系绳动力学
2.6.1 无质量系绳系统
2.6.2 考虑系绳质量系统
2.6.3 系绳释放回收装置
2.7 系统质心运动方程
2.8 电动绳系广义力
2.8.1 非倾斜偶极子地磁场模型
2.8.2 国际地磁参考场
2.8.3 电动绳系的电动力
2.9 轨道摄动
2.9.1 大气阻力摄动
2.9.2 地球扁率摄动
2.9.3 太阳光压摄动
2.9.4 日月引力摄动
2.10 本章小结
第3章 基于T-S模糊方法的绳系系统消旋稳定控制
3.1 引言
3.2 T-S模糊模型
3.3 服务航天器偏差动力学模型
3.3.1 系绳张力控制律设计
3.3.2 服务航天器姿态偏差动力学模型
3.3.3 服务航天器位置偏差动力学模型
3.4 T-S模糊制导模型与控制模型
3.4.1 T-S模糊制导模型
3.4.2 服务航天器位姿T-S模糊控制模型
3.5 目标航天器转动惯量辨识
3.6 数值仿真
3.7 本章小结
第4章 基于神经网络的挠性目标绳系系统消旋控制
4.1 引言
4.2 挠性目标消旋策略
4.3 神经网络模型
4.3.1 BP神经网络
4.3.2 BP网络离散化预测
4.3.3 基于BP网络权值的离散化
4.3.4 状态可测系统控制量规划
4.3.5 输出反馈系统模型构造及控制器设计
4.4 服务飞行器制导与跟踪控制
4.4.1 张力控制律
4.4.2 服务航天器位置制导
4.4.3 服务航天器位置跟踪控制
4.5 挠性目标消旋仿真
4.5.1 目标名义模型辨识
4.5.2 挠性目标消旋控制结果
4.6 本章小结
第5章 空间绳系系统消旋路径规划
5.1 引言
5.2 系绳阻尼展开法
5.3 基于伪谱法的优化方法
5.3.1 Radau伪谱法
5.3.2 消旋问题描述
5.4 序列凸优化优化方法
5.4.1 绳系消旋凸优化问题
5.4.2 闭环控制
5.5 数值仿真结果
5.5.1 系绳展开法
5.5.2 模型验证
5.5.3 Radau伪谱规划
5.5.4 序列凸优化规划方法
5.6 本章小结
第6章 空间绳系系统离轨策略研究
6.1 引言
6.2 碎片清除原则
6.3 基于化学推进的离轨
6.3.1 高轨目标清除方案
6.3.2 高轨目标长期运动特性
6.3.3 低轨目标主动清除方案及轨道寿命
6.4 基于电动系绳的低轨目标离轨
6.4.1 长绳系系统的稳定性
6.4.2 电动绳系的控制能力
6.5 数值仿真
6.5.1 LEO目标化学推力离轨
6.5.2 GEO目标化学推力离轨
6.5.3 电动绳系系统离轨
6.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：4046932
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/4046932.html
