一种系绳分离优化方法和系统与流程

1.本发明属于控制技术领域，尤其涉及一种系绳分离优化方法和系统。


背景技术：

2.绳系组合体通常为组合体形式发射入轨。系绳在轨逐渐释放，直至释放到给定长度，构成稳定的绳系卫星系统。释放过程不仅要保证系绳始终绷紧，还要保证释放到位后摆角尽量小，张力不发生突变。通常采用的分离策略是不考虑双星相对轨道运动，直接采用指数或者优化函数设计分离速度，过程中容易产生系绳突然绷紧或者摆角过大的问题。


技术实现要素：

3.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种系绳分离优化方法和系统，避免了系绳突然减速导致系绳回弹，解决了传统系绳释放过程中容易出现的突然绷紧或者摆角过大的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种系绳分离优化方法，包括：
5.在绳系卫星系统中，将母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程，确定为系绳分离的第一阶段；其中，在第一阶段，系绳按照设定速度匀速释放；
6.获取系绳的摆角估计值
7.根据摆角估计值判断是否进入系绳分离的第二阶段；
8.当摆角估计值小于设定摆角阈值时，确定进入第二阶段；
9.进入第二阶段，并按照正弦优化轨迹释放系绳，直至释放到期望绳长为止。
10.在上述系绳分离优化方法中，还包括：当摆角估计值不小于设定摆角阈值时，系绳仍按照设定速度匀速释放。
11.在上述系绳分离优化方法中，按照正弦优化轨迹释放系绳时，正弦优化轨迹的初始释放速度满足：正弦优化轨迹的初始释放速度大于设定速度
12.在上述系绳分离优化方法中，正弦优化轨迹的初始释放速度为：在设定速度上叠加光滑小量函数其中，其中，表示根据绳系卫星系统稳定性确定的最大系绳释放速度。
13.在上述系绳分离优化方法中，按照正弦优化轨迹释放系绳的过程，依次包括三个子阶段：加速子阶段、匀速子阶段和减速子阶段；
14.在加速子阶段[t1,t2]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0015][0016][0017]
其中，t表示当前时刻，t1表示形成重力梯度构型的时刻，t2表示加速子阶段的结束时刻，t
加
表示加速子阶段的周期，表示释放速度中按照正弦函数变化部分的最大幅值；
[0018]
在匀速子阶段[t2,t3]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0019][0020][0021]
其中，t
匀
表示匀速子阶段的周期，t3表示匀速子阶段的结束时刻；
[0022]
在减速子阶段[t3,t4]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0023][0024][0025]
其中，t
减
表示减速子阶段的周期，t4表示减速子阶段的结束时刻，δt表示匀速段时间长度，表示系绳释放最大加速度，满足
[0026]
在上述系绳分离优化方法中，设定速度满足：其中，r
max
表示母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程中，母星和子星之间的最大距离，t1表示形成重力梯度构型的时刻。
[0027]
在上述系绳分离优化方法中，t1的解算过程如下：
[0028]
确定cw方程：
[0029][0030]
其中，和分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向、y方向和z方向的运动加速度；和分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向和z方向的
运动速度；y和z分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在y方向和z方向的位置；ω表示轨道角速度；
[0031]
将相对运动开始的时刻作为时间零点，对式(1)积分，在目标星轨道系下，得到自由漂移状态c
‑
w方程的解析解为：
[0032][0033][0034]
其中，x表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向的位置；表示双星的初始分离速度；
[0035]
则，当x＝0时，将令成立的时刻，记为t1。
[0036]
在上述系绳分离优化方法中，r
max
的表达式如下：
[0037][0038]
其中，f(t1)表示t1时刻关于和的高阶小量。
[0039]
在上述系绳分离优化方法中，
[0040]
当x＝0时，确定母星和子星处于重力梯度构型状态，其中，x表示母星与子星之间的相对距离；
[0041]
摆角估计值的计算公式如下：
[0042][0043]
其中，x和z分别表示子星相对母星在x方向及z方向的位置。
[0044]
相应的，本发明还公开了一种系绳分离优化系统，包括：
[0045]
确定模块，用于在绳系卫星系统中，将母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程，确定为系绳分离的第一阶段；在第一阶段，系绳按照设定速度匀速释放；
[0046]
获取模块，用于获取系绳的摆角估计值
[0047]
判断模块，用于根据摆角估计值判断是否进入系绳分离的第二阶段；当摆角估计值小于设定摆角阈值时，确定进入第二阶段；
[0048]
执行模块，用于进入第二阶段，并按照正弦优化轨迹释放系绳，直至释放到期望绳长为止。
[0049]
本发明具有以下优点：
[0050]
(1)本发明公开了一种系绳分离优化方法和系统，采用先松弛后张紧的释放策略：松弛过程通过双星轨道高度及初速度分析最大速度包络；待系绳释放至平衡位置附近时，切换释放速度，通过轨道高度差，使得系绳逐渐绷紧。从而避免了系绳突然减速导致系绳回弹，解决了传统系绳释放过程中容易出现的突然绷紧或者摆角过大的问题。
[0051]
(2)本发明公开了一种系绳分离优化方法和系统，基于正弦优化轨迹，通过分段规划分离轨迹，主动选择平衡位置，构建有利于系统稳定的切换时刻，有效避免了系绳释放过程张力大幅波动的问题，保证系绳绷紧，适用于工程实际。
附图说明
[0052]
图1是本发明实施例中一种系绳分离优化方法的步骤流程图；
[0053]
图2是本发明实施例中一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
[0054]
图3是本发明实施例中又一种绳系卫星系统的工作状态示意图；
[0055]
图4是本发明实施例中一种指数函数下释放过程母星及子星相对轨迹示意图；
[0056]
图5是本发明实施例中一种指数函数下释放过程张力曲线图；
[0057]
图6是本发明实施例中一种指数函数下释放过程摆角曲线图；
[0058]
图7是本发明实施例中一种本发明方法下释放过程绳长释放速度曲线图；
[0059]
图8是本发明实施例中一种本发明方法下系绳张力曲线图；
[0060]
图9是本发明实施例中一种本发明方法下系绳摆角曲线图；
[0061]
图10是本发明实施例中一种系绳分离优化系统的结构框图。
具体实施方式
[0062]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0063]
本发明的核心思想之一在于：系绳分离过程，为了避免初始系绳绷紧对母星及子星姿态的扰动，本发明提出了一种系绳分离优化方法，采用先松弛后张紧的释放策略：松弛过程通过双星轨道高度及初速度分析最大速度包络；待系绳释放至平衡位置附近时，切换释放速度，通过轨道高度差，使得系绳逐渐绷紧。从而避免了系绳突然减速导致系绳回弹。
[0064]
如图1，在本实施例中，该系绳分离优化方法，包括：
[0065]
步骤101，在绳系卫星系统中，将母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程，确定为系绳分离的第一阶段。
[0066]
在本实施例中，在第一阶段，系绳按照设定速度匀速释放。其中，设定速度满足：以保证系绳在第一阶段整个过程始终没有绷紧。其中，r
max
表示母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程中，母星和子星之间的最大距离，t1表示形成重力梯度构型的时刻。
[0067]
进一步的，t1的解算过程如下：
[0068]
假设双星(母星与子星)的初始分离速度为初始分离时刻的相对距离为(x0,y0,z0)。其中，即初始分离速度没有面外分量；由于绳系卫星在轨是以组合体
形式分离，因此x0＝0，y0＝0，z0＝0。
[0069]
根据cw方程，有：
[0070][0071]
其中，分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向、y方向及z方向的运动加速度；分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向、y方向、z方向的运动速度；x、y、z分别表示在母星轨道坐标系下，子星相对母星在x方向、y方向、z方向的位置；ω表示轨道角速度。
[0072]
若将相对运动开始的时刻作为时间零点，对上述式(1)积分，在目标星轨道系下，得到自由漂移状态c
‑
w方程的解析解为：
[0073][0074][0075]
则，当x＝0时，将对应的时刻，记为t1。此时，
[0076]
进一步的，r
max
的解算过程如下：
[0077]
由于：
[0078][0079]
其中，r表示子星相对母星的距离，f(t)表示t时刻关于和的高阶小量。
[0080]
有：
[0081]
[0082]
f(t)的最大值f
max
(t)满足：
[0083][0084]
可见，两星最大距离主要是关于时间的非线性函数，主要作用量为时间t的二次函数项因此，第一阶段两星最大距离出现在切换阶段时刻，即形成重力梯度构型的时刻t1，进而有r
max
为：
[0085][0086]
其中，f(t1)表示t1时刻关于和的高阶小量。
[0087]
需要说明的是，当x＝0时，确定母星和子星处于重力梯度构型状态，其中，x表示母星与子星之间的相对距离。
[0088]
步骤102，获取系绳的摆角估计值
[0089]
在本实施例中，为了保证切换时系绳仍松弛，因此切换时刻要早于双星进入重力梯度构型。定义系绳的摆角估计值
[0090][0091]
其中，x和z分别表示子星相对母星在x方向及z方向的位置。
[0092]
步骤103，根据摆角估计值判断是否进入系绳分离的第二阶段。
[0093]
在本实施例中，当摆角估计值小于设定摆角阈值时，确定进入第二阶段，执行下述步骤104。当摆角估计值不小于设定摆角阈值时，系绳仍按照设定速度匀速释放。
[0094]
步骤104，进入第二阶段，并按照正弦优化轨迹释放系绳，直至释放到期望绳长为止。
[0095]
在本实施例中，正弦优化轨迹的基于释放策略如下：(1)根据系绳第二阶段的初始释放长度及第二阶段的初始释放速度，基于正弦函数确定第二阶段系绳释放加速度及减速子阶段段。(2)根据第一阶段和第二阶段总的目标绳长确定匀速子阶段。(3)基于正弦函数周期及幅值，确定绳系卫星系统稳定，并满足系绳张力大于零的约束。
[0096]
优选的，正弦优化轨迹的初始释放速度满足：大于设定速度具体的，正弦优化轨迹的初速度可以为：在设定速度上叠加光滑小量函数其中，其中，表示根据绳系卫星系统稳定性确定的最大系绳释放速度。
[0097]
优选的，按照正弦优化轨迹释放系绳的过程，依次可以包括三个子阶段：加速子阶段、匀速子阶段和减速子阶段。
[0098]
在加速子阶段[t1,t2]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0099][0100][0101]
其中，t表示当前时刻，t1表示形成重力梯度构型的时刻，t2表示加速子阶段的结束时刻，t
加
表示加速子阶段的周期，表示释放速度中按照正弦函数变化部分的最大幅值。
[0102]
在匀速子阶段[t2,t3]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0103][0104][0105]
其中，t
匀
表示匀速子阶段的周期，t3表示匀速子阶段的结束时刻。
[0106]
在减速子阶段[t3,t4]，系绳基于正弦函数的释放加速度以及对应的系绳释放速度分别如下：
[0107][0108][0109]
其中，t
减
表示减速子阶段的周期，t4表示减速子阶段的结束时刻，δt表示匀速段时间长度，表示系绳释放最大加速度，满足
[0110]
综上所述，为顺利实施母星与子星的分离，并保证分离过程系绳无缠绕且尽量减小回弹对绳系卫星系统稳定性的影响，本发明对分离过程进行规划，将整个分离过程分解为初始弹射后匀速释放系绳、飞到指定位置后切换为优化轨迹释放系绳两个阶段。即保证了初始分离过程系绳松弛，子星及母星姿态无干扰下的调姿，也保证了切换系绳释放轨迹时子星与母星处于平衡位置附近，避免绳系卫星系统失稳。第一阶段，初始弹射过程，为避免子星和母星在系绳张力下减速发生碰撞，设计系绳释放速度按照cw方程预估的最大速度释放，且维持该速度匀速释放，直至接到切换系绳释放速度指令。切换策略的判断条件为摆角切换。第二阶段，当摆角小于设定度数时，切换系绳释放策略为跟踪优化轨迹，直至释放到期望绳长。
[0111]
其中，需要说明的是，该系绳分离优化方法可应用于绳系卫星系统。如图2和图3，绳系卫星系统包括但不仅限于：子星、母星和系绳。其中，子星和母星通过系绳连接；当子星在母星上方时，绳系卫星为母星；当母星在子星上方时，绳系卫星为子星。系绳的摆动角度记作摆角，包括面内角和面外角。常值推力作用在绳系卫星上，实现对摆角的控制。
[0112]
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。
[0113]
设定动力学仿真步长为250ms，控制器采样及控制周期为0.1s，系绳初始绳长为100m，系绳初始释放速度为0.34m/s，期望绳长800m。对指数函数释放系绳轨迹方法与本发明所提方法进行比较。根据仿真结果，如图4～6所示，指数函数下释放系绳，系绳张力曲线及释放到位后的摆角曲线均比较大，对卫星姿态产生较大干扰。采用本发明所提二段分离策略进行系绳释放，如图7～9所示，系绳释放过程系绳张力较小，且释放到位后摆角较小，满足卫星姿态扰动较小的需求。释放过程系绳无回弹无缠绕。其中第二段分离过程采用的是正弦函数规划方法。
[0114]
在上述实施例的基础上，如图10，本发明还公开了一种系绳分离优化系统，包括：确定模块1001，用于在绳系卫星系统中，将母星和子星从分离到形成重力梯度构型的过程，确定为系绳分离的第一阶段；在第一阶段，系绳按照设定速度匀速释放。获取模块1002，用于获取系绳的摆角估计值判断模块1003，用于根据摆角估计值判断是否进入系绳分离的第二阶段；当摆角估计值小于设定摆角阈值时，确定进入第二阶段。执行模块1004，用于进入第二阶段，并按照正弦优化轨迹释放系绳，直至释放到期望绳长为止。
[0115]
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
[0116]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0117]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。