航天器与空间碎片的混合编队重构控制与应用

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1、航天器与空间碎片的混合编队重构控制与应用第2卷第3期2015年9月JournalofDeepSpaceExploration深空探测学报Vol.2No.3September2015张文浩,闻新,院老虎,刘家夫,李威(沈阳航空航天大学航空航天学部,沈阳110136)针对空间碎片清理问题,提出了一种利用航天器与空间碎片混合编队队形重构控制技术捕获碎片的摘要:方法。首先,分析了地/月—日系L2拉格朗日平动点附近的限制性三体环境,并建立了编队卫星相对运动动力学模型;其次,提出了以太阳光压力作为航天器与空间碎片编队队形重构的控制力,实现各从星接近空间碎片的目的;最后,设计了基于线性二次型的最优控制器

2、,并在Matlab/Simulink环境下进行仿真实验。仿真结果表明该方,法可控制从星到达期望的位置(空间碎片的位置)且太阳帆板的姿态变化在可控范围内,进而证明了该方案可以应用于复杂空间环境下的碎片清理任务。关键词:编队飞行;动力学建模;空间碎片;重构;最优控制DOI:10.15982/issn.2095-7777.2015.03.016j.中图分类号:V11文献标识码:A文章编号:2095-7777(2015)03-0283-06—————————————————————————————————————————————————————0引言研究以编队飞行的模式去接近空间碎片L2点附近,的

3、问题。首先在限制性三体环境下利用太阳和地月系对编队航天器的作用力,建立编队卫星相对运动动力学模型。然后分析太阳对太阳帆板产生的太阳光压力,提出了以此作为航天器与空间碎片编队飞行队形重构力的控制策略。利用线性二次型最优控的,奠定对空间碎片的捕获基础。最后在Matlab/结果证明这种方法Simulink环境下进行实例仿真,是可行的,可以为实际编队卫星捕获空间碎片应用提供参考。制理论设计控制器,实现各从星接近空间碎片的目随着全世界发射活动的增加,航天器在任务结束后如不能有效的回收即会成为空间碎片,对人类航天活动造成很大伤害,因此对于清理空间碎片的1]。目前国内外学者对空间碎片研究是很有必要的[的

4、捕获和清理可以分为三类:一是刚性机械臂清理法,该方法选用附有夹持装置的机械短臂或多自由度机械臂,当卫星与空间碎片交会时进行捕获作业。二是绳系卫星系统,该方法采用全柔性部件连接的2多颗卫星对空间碎片进行捕获[4]系统,该类方法采用大尺度柔性飞网进行在轨捕—————————————————————————————————————————————————————5获[7]。三是空间飞网统上进行改进,但并没有在卫星的灵活性、可操纵性上有所创新。航天器编队是于20世纪90年代提出的,是由8]。编队中各航天一组空间分布的小卫星绕飞组成[器通过协同控制与管理构成一颗虚拟大航天器,其在应用领域的灵活性以及

5、在轨可维护性方面都强于单颗大型航天器。国内外学者对于编队卫星系统建9模、飞行控制以及队形重构做了很多研究[11]。综上,现存的碎片捕获技术都是在抓捕系1混合编队飞行的动力学模型)编队航天器和空间碎片(下面简称“碎片”分别受到太阳和地月系的作用力,但其质量都很小,对两天体产生的万有引力可以忽略。考虑到限制性三体问题的限制条件:空间飞行器的质量相对引力体是小量,可以1)忽略其质量和对引力体的影响;两引力体绕其公共质心做圆运动2)[12]—————————————————————————————————————————————————————在地/月-日系下的L2拉格朗日平动点附近,少提出航天器

6、与空间碎片混合编队进行碎片捕获的方案。本文将航天器和空间碎片看成一个整体,提出一种混合编队的队形重构方案;在地/月-日系的收稿日期:2015-04-10修回日期:2015-06-17,但很则整个混合编队模型可以近似作为一个圆型限。制性三体问题(circularrestrictedthreebody-来研究。problem,CR3BP)混合编队飞行研究的是碎片与若干从星的关284深空探测学报第2卷系,每颗从星与碎片的运动关系都是相似的,所以为了能方便简洁的说明问题,这里仅分析第3i(i=1,2,飞行的基础,…,n)颗从。星建立图与碎片的关系,以此作为整个编队月-日系的质心1所示的空间坐标系,

7、定义整个地/为坐标系的原点,x轴指向mE,y轴垂直于x轴,z轴垂直于系统的滚转平面,与x两个主要引力,y轴构成右手系。mS和mE是开普勒轨道中,分别代表了太阳质量与地月系质量,mD、miF分别代表了编队碎片与编队中第i颗伴随—————————————————————————————————————————————————————卫星,同时具有较小的质量(mD?miF?mE<mS忽略其对引力天体的影响。为了以下计算的