[发明专利]局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法

摘要

本发明公开了一种局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法，其工作体为由两条系绳连接的三个航天器所构成的局部空间电梯系统。绳长视具体工况决定，一般来说在10公里左右。当系统各部分连接完毕，整个系统可以视为一个三体空间绳系系统。本发明建立了局部空间电梯系统的模型；针对系统特点提出了控制策略；提出了针对目标系统的姿态控制律；实验表明，即使系统运行在具有较大偏心率的轨道上，应用本发明所提供的方法依然可以避免系统发生混沌运动而失控。系统的摆动可以得到有效抑制，与此同时，系统的构型能够被保持在系统运行所需的状态上。控制所需要的推力大小符合工程实际情况，控制效果良好。

主权项

局部空间电梯系统在椭圆轨道中的摆动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立局部空间电梯系统动力学模型；系统的平面运动在系中，并以母星作为动坐标系的原点；θ1和θ2表示绳子与母星轨道半径方向之间的夹角；母星与电梯舱之间的绳长为L1，电梯舱与作业航天器之间的绳长为L2；电梯舱m1和作业航天器m2的引力矢量Gi表示为：Gi=-μmiri3ri,i=1,2---(1)]]>其中，μ为地球引力常数，ri＝r+Ri；r＝[0,r]T为母星在轨道坐标系下的位置矢量，Ri为子星i在轨道坐标系中的位置矢量；系统的动力学方程：其中，Me为质量矩阵，θ＝[θ1，θ2]T，为，N为非线性项，为真近点角；步骤二：针对系统特点的控制策略；在控制过程中，对控制力进行限制；在实际环境下，电梯舱提供一个幅值不超过1N的推力，作业航天器提供一个3N的推力，控制系统以真近点角为变量；为了对完整的系统进行分析和控制，将式(2)转由时域转换到位置域，其转换公式为：其中，f′为目标量关于真近点角的一阶导数，为目标量关于时间的二阶导数，f″为目标量关于真近点角的二阶导数，e为轨道偏心率；利用式(3)对式(2)进行变换得位置域的动力学方程：M′eθ″＝N(θ,θ′)   (4)步骤三：针对目标系统的姿态控制律；针对本发明所描述的非线性耦合系统，利用滑膜控制方法进行控制；控制输入为：u＝θ″d‑f+c·Δθ′+K·sgn(s)   (5)V′＝sTs′＝sT(CΔθ′+θ″d‑f‑u)＝‑[K11sign(s1)s1+K22sign(s2)s2]≤0   (6)V′＝sTs′＝sT(θ″d‑fd‑u+CΔθ′)＝‑sgn(s)T[d sgn(s)+K]s   (7)θ″d为追踪角的关于真近点角的二阶导数，c＝[c1,c2]T为控制系数，为控制增益矩阵，sgn(s)为s的符号函数，当s为正时该函数为1，s为负数时其为‑1，V′为李雅普诺夫函数对真近点角的导数，s＝[s1,s2]为状态误差构成的滑膜面，s′为误差导数，Δθ为误差，Δθ′为角速度误差，f为系统动力学方程，u为控制方程，d为外界干扰；式(6)和式(7)对控制的稳定性和鲁棒性进行了验证，通过推导表明，控制是稳定的并且具有鲁棒性。