绳系卫星系统姿态和轨道动力学建模与仿真

摘要

绳系卫星系统(Tethered Satellite SyStem，TSS)在近地空间应用和深空探测方面都具有广泛应用，为人类太空建设开辟了一条崭新的道路。绳系系统动力学模型是其理论研究的基础，是绳系应用的前提，精确制导、准确的轨道与姿态控制均建立在对绳系系统正确建模的基础上。
　　 现有绳系系统动力学模型均假设系绳质量可忽略不计、母星质量远大于子星，这两条模型假设极大的简化了系统建模过程。然而随着小卫星及点动力系绳的出现，该假设失去了其合理性。为解决上述问题，本文研究由质量不可忽略的系绳所连接的母星、子星(质量量级相近)及地球共同组成的三体系统，摒弃原有模型假设，使本文模型更加贴近于目前绳系系统发展趋势，更具普适性。
　　 首先，论文分析了单颗卫星的姿态动力学和轨道动力学，并对其进行了仿真，奠定了绳系卫星系统动力学建模与分析的基础。然后，应用拉格朗日方程对绳系卫星系统进行了轨道动力学建模，考虑绳系系统的非线性强、重力梯度力主导等固有特性。而后，针对绳系卫星系统，建立了相对运动模型，并讨论了系统稳定性及其平衡状态。最后，针对绳系卫星系统的轨道动力学进行了仿真。
　　 本文内容涉及绳系的运动学、稳定性理论研究，为空间对接、回收、捕获、测量等工程实际应用开发提供了基础模型。为验证研究内容的正确性，对所建立的模型均进行了仿真验证，仿真结果表明，本文建立的模型能够较准确反映系统的特性，绳系卫星系统能够稳定运行于空间轨道。