15、铰接体建模与控制及被动式太阳能跟踪系统研究

铰接体建模与控制及被动式太阳能跟踪系统研究

铰接体建模与控制

在航天领域，铰接卫星系统近年来备受关注，其在空间碎片清除、动量转移系统、空间站电动重启等方面有着广泛的应用前景。

铰接卫星系统由多个相互连接的人造卫星组成，与传统航天器相比，具有一些独特的特点。一是长度较大，能沿当地垂直方向保持稳定定向，并产生小的人造重力；二是构型具有灵活性，可通过改变连接体的长度和方向实现不同的操作，如调整航天器的相对位置和方向、在系绳上装卸物体、沿连接杆移动有效载荷等。

当前，太空垃圾问题日益严重，近地轨道（LEO）估计有超过17000个物体，包括火箭体、航天器和碎片。为解决这一问题，人们提出了多种方案，如鱼叉、网、系绳卫星和铰接体（如机器人操纵器）。然而，铰接卫星系统是一个复杂的物理系统，大多数相关研究使用简化模型来预测其行为，这可能会因忽略重要现象（如惯性）而导致结果不准确。

在研究中，采用了简化的双摆模型来描述空间卫星结构。该模型将空间结构视为一对带有集中质量（即具有转动惯量）的刚性摆，可看作由母船和两个通过旋转关节连接到主卫星的连杆（摆）组成的三质量系统。母船在椭圆轨道上绕地球旋转。相关术语和变量定义如下：
- Jm：与母船的关节
- Jp：两个摆之间的关节
- θ1(t) 和 θ2(t)：每个物体质心相对于当地垂直方向的摆动角度
- L1：从Jm到第一个摆质心的距离
- L2：从Jp到第二个摆质心的距离
- L′1：两个关节之间的距离
- L′2：第二个摆的全长

系统的轨道半径R = R(t)e2是一个变量，与轨道速率Ω = Ω(t)e3通过开普勒时间方程相关联。轨道旋转参考系{