空间绳网弹射捕获动力学与控制的基础问题研究

近年来地球静止轨道资源日趋紧张，造成轨道资源紧张的重要原因之一是许多静止轨道卫星失效后，由于技术或经济成本因素未能及时离轨。空间绳网系统是一种新型空间非合作目标在轨捕获系统，它为静止轨道失效卫星捕获与离轨提供了一种可行的技术途径。本课题将以空间绳网系统为研究对象，通过空间绳网弹射动力学建模和分析，揭示轨道动力学扰动条件下空间绳网弹射释放过程的运动稳定性机理，同时引入目标相对动力学，建立捕获偏差动力学模型，获得目标捕获初始条件与捕获偏差之间的关系及影响规律，在此基础上提出捕获偏差补偿控制方法，实现目标的准确捕获，课题还将对捕获后系统的动力学及运动学进行建模分析，提出捕获后系统的避撞控制策略，并对避撞控制策略进行实验验证。

本课题建立了空间绳网系统在圆轨道上的的动力学模型，在轨道坐标系内分析了空间绳网系统弹射过程当中的动力学和运动特性，研究结果表明，在自由弹射条件下，受轨道相对动力学特性的影响，空间绳网弹射后将按照特定曲线运动，随后根据其运动特性，采用状态转移方程对空间绳网系统弹射捕获动态和静态目标的初始速度进行了规划；在非自由弹射过程当中，建立了系统面内外振荡的动力学模型，并给出了运动过程的数学描述方程，分析表明，再不考虑动力学耦合的条件下，系统面内的摆动时临界稳定的。为了抑制面内振荡并使捕获后系统姿态达到稳定，项目首先提出了基于固定推力的时间最优控制算法，但该控制算法在目标质量辨识存在误差的情况下会导致推力器频繁开关机现象的发生。为了避免推力器频繁开关机现象的发生，进一步提出了一种基于固定推力的阻尼控制方法，该方法无须对捕获目标进行质量辨识，因此对于惯量未知的捕获后系统具有较好的适应性.