低频姿态控制绳系弹射一太赫兹通信地面融合实验

打开文本图片集

中图分类号：V416 文献标志码：A

引言

与传统航天器相比，绳系卫星可通过释放/回收调整系绳长度实现灵活拓扑.当系绳为导电系绳时，通过航天器安装的主动电荷交换装置，使得导电系绳与太空地磁环境相互作用，产生洛伦兹力，绳系卫星可在不消耗燃料的情况下，借助电荷交换装置以及存储的气体工质，实现航天器的轨道转移[1]（升轨或降轨）以及太空垃圾的清理[2，3]等功能，具有巨大的应用潜力.

绳系卫星的弹射释放通常通过一定的弹射释放装置实现，在系绳快释放完毕时，通过主动或被动的方式进行减速控制.Gupta等4设计了一种用于纳米卫星的绳系卫星弹射机构，并对线轴的形状以及绕线的方式进行了优化，能够提高系绳存储的效率以及弹射释放的出现稳定.Yang等[5]针对绳系弹射释放机构成功率低的问题，设计了一种基于推杆电机的新型弹射释放机构，并提出一种对机构各部分进行优化的方法.通过地面弹射实验，验证了优化方法的可行性.王加成设计了一种小型绳系卫星弹射机构，具有结构简单、性能稳定、可重复进行实验的特点，适用于地面实验的验证.

由于系绳具有阻尼小、柔性大等特点，在绳系卫星释放过程中，常通过控制系绳张力或卫星自带的姿态控制装置对释放过程中整个系统的姿态进行控制.如不加控制，系绳张力可能会超过材料的强度而导致释放失败，因此通常需要在释放过程中施以控制.对此，张莹等[结合动力学分析解与控制器设计，设计一种滑模控制律用于抑制子星姿态振动，并通过仿真验证控制器有效性.李晓磊[8]提出新型离散时间滑模预测控制方案，充分考虑实际工程离散采样特性，能够显著提升传统滑模控制对绳系系统释放过程的控制性能，并有效改善其抖振问题.贾程等9通过模型预测控制调整主星姿态，在实现绳系编队系统轨道跟踪的同时，抑制系统在轨机动过程的系绳摆动.

除数值仿真以外，常通过地面实验进行控制策略验证.如文浩等[10]根据天一地动力学相似原理，基于计算机视觉和无线局域网技术，构建在线测控子系统，其反馈控制律利用Legendre伪谱法和非线性规划方法在线计算开环最优轨道来确定.Higuchi等1利用旋转的斜面模拟微重力下的重力梯度力，引入线性化运动方程，可以实现对绳系卫星回收时发散振动的抑制.Kang等[12研究绳系空间拖曳对大型旋转非协同目标的姿态稳定，将系绳张力、拖电目标姿态以及它们的组合控制用于对目标的姿态以及运动的控制，并通过仿真器在微重力实验台进行控制律有效性验证.Kentaro等[13]通过各种地面实验确定系绳珠点模型的关键参数，并以此进行数值计算，研究使用推进器实现系绳释放的动力学以及推进器的要求，如推进器的推力和启动时间. Yu 等[14]在非惯性参考系下建立一个近似的高维非线性绳系卫星模型，研究三种典型面内运动，利用庞加莱映射分析运动稳定性，提出一个动态参数域用于三种运动及临界值，最后利用动力学相似原理进行地面实验，再现其轨道动力学特性.

太赫兹波段处于宏观电子学向微观光子学的过渡频段，因其高分辨率、非电离辐射、低环境干扰和光谱特性，在通信方面具有独特的优势[15]，尤其是大宽带和抗截获的特点，非常适合卫星间的高速通信[16].Li等[17]建立了一个全面的理论模型并结合实验，对太赫兹波通过玻璃门时的通道性能进行了研究，推动了太赫兹高效可靠通信的界限.对于太赫兹通信，当前已有大量研究，但对于太赫兹在移动条件下的通信实验仍有所欠缺.

本实验所使用的太赫兹通信系统主要由太赫兹发射链路和太赫兹接收链路组成，其中太赫兹发射链路主要由微波信号源、W频段倍频器、太赫兹混频器和太赫兹发射天线组成，太赫兹接收链路的结构与之类似.如图1所示.

由微波信号源产生的信号源，经过W频段倍频器将信号频率提高12倍，再通过太赫兹混频器将基带信号与太赫兹载波信号进行调制，最后经过功率放大器即可由天线进行传输，其中发射天线孔径为 10mm ，在 220GHz 工作频段的增益约为 24dBi 太赫兹接收链路接收到太赫兹信号后，对信号进行放大、变频，并对信号进行解调得到基带信号.

图1太赫兹通信系统示意图Fig.1 Terahertz communication system schematic diagram

本文设置子星仿真器释放轨迹为Legendre伪谱法计算得到的最优轨迹，增加主、子星相对姿态角的控制器，用于避免子星释放过程中系绳突然绷紧，以及将相对姿态角控制在 ±5∘ 范围内，为太赫兹实现机会通信创造条件.最后进行绳系卫星地面弹射释放实验，通过处理光学识别系统记录的仿真器运动数据以及太赫兹通信载荷输出的诊断数据，计算仿真器的实际释放轨迹和姿态变化以及太赫兹通信载荷的通信速率和误码率，通过对比仿真器的实际释放与参考轨迹，验证了所设计参考轨迹的有效性；太赫兹通信载荷的通信速率和误码率，以及仿真器姿态变化说明了姿态控制器的有效性以及太赫兹通信在移动平台下机会通信的持续性和稳定性.

1 动力学建模

研究由主星 SΩ0 、子星 S1 及连接二者的空间系绳所构成的绳系卫星系统，如图2所示.系统运行于开普勒椭圆轨道，主、子星的质量分别为 ms0 和ms1 ，同时考虑系绳质量，将柔性系绳离散为一系列由弹簧一阻尼器连接的质点，相邻质点间通过一根弹簧和一个阻尼器实现连接，如图3所示.

引入惯性坐标系 OEXYZ 用于系统的运动，其坐标原点为 OE 地球质心， OEX 轴在赤道平面内并指向春分点， OEZ 轴与地球自转轴重合， OEY 满足右手定则.引入主（子）星体坐标系OS0xS0yS0zS0（OS1xS1yS1zS1） 描述主（子）星的姿态运动.其中Os。（剩余10264字）