在轨非合作目标飞舌抓捕的动力学与控制问题研究

摘要

在轨捕获回收因其在空间服务的各项任务中应用潜能巨大而备受重视，例如对卫星在空间中的维护、加注；对于空间垃圾的清理等领域。基于目标飞行器不同的运动特性，我们把其分为合作目标与非合作目标。对于非合作目标飞行器例如失效的卫星、空间碎片等，对其实施捕获的难度很大并且存在一定的风险性。使用百米级长的绳系飞舌系统实施非合作目标捕获，由于其在安全性上具有较大的优势，并且对风险的规避潜力巨大，所以研究在轨非合作目标抓捕的绳系捕获系统动力学与控制问题具有重要的意义。本文主要研究绳系捕获过程中对于几种不同假设前提下基于目标运动特性的动力学建模与控制技术，解决飞舌在目标飞行器投射位置、飞舌轨迹优化、捕获过程中飞舌稳定控制策略的关键技术，具体研究工作如下：
　　首先，对两体绳系卫星系统进行建模，建模时将主星和子星视为质点，不考虑系绳的柔性对建模的影响，然后依次研究考虑系绳质量与不考虑系绳质量两种不同的模型；利用面内面外角模型与第二类拉格朗日方程建立圆轨道上两体绳系捕获系统的动力学模型（无质量绳系连接两质点与有质量绳系连接两质点），以之作为对动力学建模的研究与对飞舌捕获头轨迹的优化以及6自由度协调耦合控制方法研究的基础。
　　其次，基于给定的假设条件，捕获航天器与目标航天器的运动状态在限定的范围内，利用CW方程，给定以目标质心为原点的坐标系，建立飞舌捕获头释放过程动力学模型，然后分别建立捕获头相对卫星的运动学模型与考虑释放机构特性的六自由度耦合动力学模型。
　　最后，基于目标的运动特性捕获方法的研究。对两体绳系卫星动力学仿真，利用高斯伪普法对捕获过程飞舌的轨迹进行规划，以及飞舌捕获头的六自由度位姿耦合控制方法的研究。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外现状

1.3 绳系卫星发展综述

1.4 绳系卫星建模与控制方法综述

1.5 飞行器轨迹优化方法综述

1.6 本文的主要研究内容

第2章 绳系卫星系统的动力学建模

2.1 引言

2.2无质量系绳连接两质点的系统简化模型

2.3有质量系绳连接两质点的系统简化模型

2.4 绳系的多体动力学建模

2.5 捕获系统系绳释放机构动力学建模

2.6 本章小结

第3章 基于目标运动特性飞舌捕获过程轨迹优化

3.1 引言

3.2粘附部位的选择

3.3飞舌轨迹优化

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第4章 飞舌捕获头6自由度协调耦合控制器设计

4.1引言

4.2 6自由度协调耦合控制方法

4.3数值仿真分析

4.4本章小结

结论

参考文献

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致谢

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