基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制

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1、第31卷第3期2010年3月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAV01．31No．3Mar．20i0文章编号：1000—6893(2010)03—0572—07基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制钟睿，徐世杰(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)Orbit-transferControlforTSSUsingDirectCollocationMethodZhongRui。XuShijie(SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，

2、Beijing100191，China)摘要：讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨，用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线性规划问题，然后用MATLAB的SNOPT软件包求解；针对初始偏差较大的实际情况，又结合直接配点法和滚动时域控制得到了解析的反馈控制律。仿真算例表明，得到的TSS变轨过程状态变化平滑，控制消耗较小，而且变轨之后TSS接近平衡状态；此外，反馈控制律对最优路径的跟踪效果较好，能够消除

3、初始偏差的影响。关键词：绳系卫星系统；非线性规划；滚动时域控制；直接配点法；SNOPT软件包中图分类号：V474．292文献标识码：AAbstract：Anorbit—transferschemeofatetheredsatellitesystem(TSS)withouttheretrievalofthesub—satel—liteisdiscussed．ItisassumedthatthemasscenteroftheTSSmovesalongaclassicaltrajectoryofHohmannorbit—transfer．Theunstrainedlength

4、accelerationofthetetherisselectedasthecontrolinputfortheTSSmo—tionbetweenthetWOimpulses．Thecontrolminimizationisdiscretizedinto3problemoflargescalenonlinearprogrammingbymeansofHermite-Simpsondiscretization，whichisoneofthedirectcollocationmethods．ThenitissolvedusingMATLABsoftwarepackageSN

5、OPT．AstheinitialstatesmighthavelargeerrorsduetOpracticalconstraints，afeedbackcontrollawusingdirectcollocationandrecedinghorizoncontrolisintro—duced．Numericalsimulationresultsprovethattheoptimalorbit—transferofaTSShassmoothtrajectoryandthecontrolconsumptionisverylimited．Theclosed—loopfeed

6、backcontrolworkswell，too，SOthatinitialer—rorscanbeeliminatedafteracertainperiod．Keywords：tetheredsatellitesystem；nonlinearprogramming；recedinghorizoncontrol；directcollocationmethod；SNOPTsoftwarepackage空间任务的多样性要求开发新的卫星系统。绳系卫星系统(TSS)概念的提出[11向人们展示了其广泛的应用前景，包括空间实验、空间运输、大型空间结构的构建等。近30年来，TSS一直

7、是航天领域的研究热点之一。TSS作为一种新型的卫星编队方法能够节省燃料，而且其基线长度可变的特点使得利用TSS作为空间观测仪器的载体具有很多优势，但是TSS的非线性动力学特性也给变轨控制带来了困难。许多学者研究了利用系绳进行卫星变轨的方法，例如：I．BekeyL21和E．C．Lorenzini[3]等，他们的研究都是考虑在适当的时候切断系绳，以使TSS的一部分(通常是系绳一端连接的卫收稿日期：2009—01—13；修订日期：2009—03—17基金项目：国家自然科学基金(10702003)通讯作者：钟睿E—mail：zhongruia@1