[发明专利]一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法

说明书

本发明公开的一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法，属于航天器制导与控制领域。本发明实现方法为：定义不同的参考坐标系来描述绳系编队系统运动，利用拉格朗日方程来建立自旋稳定绳系编队系统的动力学模型；在实时域中描述有限时域最优控制问题，然后基于时域映射将其转化为Mayer形式，对自旋稳定绳系编队系统的动力学模型给定控制输入和状态变量约束，构建自旋稳定绳系编队系统最优展开模型；利用Legendre‑Gauss离散化方法，将绳系编队系统自旋稳定展开的最终状态和控制输入离散在一系列离散点上，通过高斯伪谱法对绳系编队系统地自旋稳定展开动力学过程进行数值求解，能够减少需要输入的参数，提高计算精度。

技术领域

本发明涉及一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法，尤其涉及一种寻找开环最优轨迹，将子星从初始位置引导到最终旋转状态方法，属于航天器制导与控制领域。

背景技术

绳系卫星系统是指由绳系连接两颗或多颗卫星而组成的航天器系统，绳系卫星在大气探测、空间环境探测、空间碎片清除等领域有着广阔的应用前景，可以将其作为人类探索宇宙空间、获取宇宙中的资源、拓宽人类生存空间的新结构。例如利用系绳将空间探测平台从主星上释放到地球大气层，实现对近地大气的探测。通过绳系卫星系统在高速运行时绳系切割地磁力线，产生电流并在地磁场作用下提升或降低系统轨道且不消耗燃料。

近年来，利用自旋稳定绳系编队构建大型柔性空间系统的概念引起了人们极大的关注。自旋稳定的绳系编队可以通过自旋产生的离心力保持其构型，这样相比传统空间系统可以用更少的燃料消耗来控制空间系统。此外通过调节连接绳索的长度，编队还能够提供长而可变的基线，从而可以进行高质量的空间观测。但绳系编队系统自旋稳定展开过程中存在动力学耦合及约束控制非线性问题。

对于仅考虑拉伸情况的绳系卫星系统选用拉格朗日法建模。如果绳系编队包括三个或更多个星体，编队操作会由于实际挑战变得困难，其中一个挑战是将编队从初始状态展开到最终期望的结构。由于科里奥利加速度和重力梯度，子星受到平面内和平面外的振动，导致绳系松弛甚至相邻构件之间的碰撞。总的来说，这些挑战主要来自编队动力学的复杂性；虽然许多研究人员已经研究了绳系编队的控制问题，但较少考虑具有中心体的自旋稳定绳系编队，这使得编队展开更加复杂。

发明内容

针对绳系编队系统自旋稳定展开过程中的动力学耦合及约束控制非线性问题，求解具体非线性方程存在需要输入的参数较多、计算精度差的缺点，本发明公开的一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法要解决的技术问题是：利用Legendre-Gauss离散化方法，将绳系编队系统自旋稳定展开的最终状态和控制输入离散在一系列离散点上，通过高斯伪谱法对绳系编队系统地自旋稳定展开动力学过程进行数值求解，进而能够减少需要输入的参数，提高计算精度。利用所述的数值求解能够为绳系编队系统提供高精度控制方案，进而提高绳系编队系统自旋稳定展开控制精度。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明公开的一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法，定义不同的参考坐标系来描述绳系编队系统运动，利用拉格朗日方程来建立自旋稳定绳系编队系统的动力学模型。在实时域中描述有限时域最优控制问题，然后基于时域映射将其转化为Mayer形式，对自旋稳定绳系编队系统的动力学模型给定控制输入和状态变量约束，构建自旋稳定绳系编队系统最优展开模型。利用Legendre-Gauss离散化方法，将绳系编队系统自旋稳定展开的最终状态和控制输入离散在一系列离散点上，通过高斯伪谱法对绳系编队系统地自旋稳定展开动力学过程进行数值求解，进而能够减少需要输入的参数，提高计算精度。

本发明公开的一种利用连续推进器实现绳系编队自旋稳定展开优化方法，包括如下步骤：

步骤一：定义不同的参考坐标系来描述绳系编队系统运动，利用拉格朗日方程来建立自旋稳定绳系编队系统的动力学模型；