[发明专利]一种空间多绳系系统构型展开的分布式控制方法

说明书

本发明提出一种空间多绳系系统构型展开的分布式控制方法。不同于集中式构型展开的控制方法，本发明方法首先建立系绳张力约束下的动力学模型，并设计了各个子航天器间的通讯拓扑结构。此外，为避免空间多绳系系统构型展开过程中出现构型变化，设计了满足等边三角形构型展开的期望轨迹，并利用反步法设计控制器去跟踪期望轨迹，保证空间多绳系系统构型按期望轨迹稳定展开。该方法从分布式控制的角度考虑空间多绳系系统的构型展开控制，其可以充分利用相邻子航天器的信息及期望构型设计，对各个子航天器的控制输入进行合理的分配。

技术领域

本发明属于空间绳系机器人领域，特别涉及一种空间多绳系系统构型展开的分布式控制方法。

背景技术

随着人类航天活动不断产生新需求，诸如太空救援、对地大尺度干涉观测、在轨服务、轨道清除等新型空间任务，利用常规的单颗卫星以很难满足满足任务需求。有研究者提出柔性连接的可扩展空间多绳系系统，与传统卫星编队相比，其能够通过系绳张紧力保持编队构型稳定，极大减少了燃料消耗。但是，由于系绳连接的约束作用，使得空间多绳系系统成为一个复杂的刚柔混合系统，其具有强耦合、非线性的特点。

目前，关于空间多绳系系统构型展开的控制方法，主要是集中式构型展开控制方法。集中式构型展开控制方法一般采用拉格朗日方程建立动力学模型，并设计统一的控制律。Paul Williams利用最优控制方法设计了空间多绳系系统最优构型展开，但其前提条件是，每个子航天器始终处于全局通信状态，这使得设计控制器时可以忽略子航天器间的通讯拓扑结构，但其大大增加了整个系统的通信负担，浪费了大量通信资源。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术的不足，本发明考虑到各个子航天器及系绳展开存在的差异型，提出了一种空间多绳系系统分布式编队构型控制方法，保证空间多绳系系统构型的稳定展开。

本发明的技术方案是：

一种空间多绳系系统构型展开的分布式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立空间多绳系系统动力学模型

定义空间多绳系系统是闭合三角形构型，由S₁、S₂及S₃三颗卫星和三根系绳l₁、l₂及l₃组成，系绳l₁、l₂及l₃将三颗卫星依次连接，组成一个闭合的三角形构型；

定义O_I-x_Iy_Iz_I表示以地球质心为原点的惯性坐标系，O-xyz为轨道坐标系，x轴沿着地球质心指向系统质心的方向，z轴沿着垂直于轨道平面方向，y轴方向由右手定则给出；假设虚拟航天器在理想椭圆轨道上运行，则空间多绳系表达式如下：

其中，p_xi、p_yi及p_zi为子航天器相对于虚拟航天的相对位置。其为虚拟航天器质心距地球质心的距离。d_xi、d_yi及d_zi为可能出现的扰动。u_ix和u_iy为推进器推力。为虚拟航天器所在轨道的真近点变化率，为虚拟航天器真近点角变化加速度，其表示如下：