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1、附件4：论文中英文摘要作者姓名：文浩论文题目：绳系卫星释放和回收的动力学控制作者简介：文浩，男，1979年 8 月出生，2004 年4 月师从于南京航空航天大 学胡海岩教授，于2009 年4 月获博士学位。中文摘要绳系卫星是一项颇具发展前景的技术，有可能促成太空探索及开发领域的一次技术革命。 然而，由于系绳具有柔性大、阻尼小的特点，当它被置于空间环境并与卫星耦合时极易产生 一系列复杂的天平动及振动。特别是在卫星释放及回收过程中，系绳长度的变化引起 Coriolis 加速度，可能导致系绳振幅剧增。若不施加控制，系绳内的动应力幅值可能会超过材料的强 度极限，导致系统失效。另外，绳系卫星系统呈高度非
2、线性特征，具有大范围时变状态(绳 长)，涉及到复杂任务约束。因此，即便结构形式最简单的绳系卫星系统，其动力学及控制问 题也非常复杂。此外，由于在轨飞行实验代价高昂，如何对绳系卫星理论研究加以考核验证 也是一大难题。(Acta Mech. Sin., 2008)本论文从理论分析、数值计算、实验系统的设计与实现等方面研究了绳系卫星释放和回 收的动力学控制问题，其特点是：理论、计算与实验密切结合，所建立的控制方法和实验系 统具有通用性，对卫星编队飞行、小行星探测等未来航天动力学与控制的发展具有重要作用。该研究的主要创新点及学术贡献如下：一、首次研究了非线性 最优控制二阶伪谱算法的协态映射理论，提出利
3、用二阶 Legendre-Gauss-Lobatto (LGL)伪谱法对Bolza型最优控制问题的协态信息进行估计。应用二 阶LGL伪谱法将连续时间最优控制问题离散化为大规模非线性规划(NLP)问题，通过对比研 究Bolza型最优控制问题及NLP问题的最优性条件，证明了：在一定闭合条件下，Bolza型 最优控制问题二阶协态方程的离散形式与NLP问题的Karush-Kuhn-Tucker (KKT)乘子所满足 的约束条件相同。此外，发现一阶和二阶 LGL 伪谱法的协态映射本质上兼容，可利用 KKT 乘子及简单线性映射来估计二阶形式 Bolza 最优控制问题的协态信息。利用该方法可对直接 二阶 L
4、GL 伪谱法所得结果进行检验，而不必将二阶形式的动力学方程转化为一阶微分方程 组。另外，通过 Breakwell 算例对一阶和二阶算法进行了对比，发现当离散节点数很少时两者 计算速度没有明显差别，当节点数较多时二阶方法的优势变得十分明显。 (Sci. China Ser. E, 2009)二、以绳系卫星回收任务为例，首次研究了绳系卫星无限时域非线性最优控制问题。基 于域变换思想，将无限时域控制问题变换为适于数值求解的有限时域控制问题，分别利用两 种 Legendre-Gauss-Radau (LGR) 伪谱法进行离散求解：第一种是已有的直接 LGR 伪谱法，将 连续时间非线性最优控制问题直接离
5、散后，通过非线性规划方法求解；第二种是本文提出的 间接LGR伪谱法，对非线性最优控制问题作伪线性化，将其转化为一系列可迭代求解的线性 最优控制问题，离散后通过线性代数方法求解。通过推进器辅助回收算例对两种方法进行了 对比，发现本文方法不易受节点数减少的影响，在初始控制输入精度上具有明显优势。此外 还研究了纯张力作动方式的子星回收控制问题，通过实时轨道产生方法设计反馈控制器，并 将其与文献中的后退时间区间控制方法作了对比。结果表明，本文方法的平均和最大计算耗 时均小于后退时间区间控制方法，在计算速度上具有显著优势；在没有面外推进器的辅助的 情况下，张力控制律的性能也随之下降但仍能将系统运动稳定在
6、安全范围之内。 (AIAA J. Guid. Control Dyn., 2008)三、研究了两体绳系卫星系统在初始状态扰动、参数误差以及外扰力影响下的卫星释放 控制问题，基于直接轨道产生方法设计了反馈控制器。该方法建立在开环最优控制研究的基 础上，根据状态反馈信息实时计算开环非线性最优控制问题，并不断利用新解对控制律进行 在线更新，由多段开环控制律“拼接”得到闭环控制律。本文方法的特色在于加入了在线网 格调整策略，每次在线计算之前会先对剩余释放时间进行预测，在释放过程中逐步减少所用 的LGL离散点数，使得计算时间明显减少。此外，针对倾斜轨道上电动力绳系卫星的回收控 制问题，设计了非线性模型预
7、测控制器。该研究采用两种不同的系统模型：将较简单的三自 由度“哑铃”模型作为预测模型，用于反馈控制律设计及求解；采用多自由度多体动力学模 型(“珠链”模型)进行系统运动仿真，以检验(基于简单模型设计的)非线性模型预测控制 器的性能。通过算例研究发现，系绳的受控回收过程主要可分为两个阶段：在第一个阶段， 系绳被快速回收，系绳在俯仰方向上产生较大幅度的摆动；在第二个阶段，绳长变化变缓， 系绳俯仰角及角速度逐渐缩减到零值附近。 (Nonlinear Dyn., 2008; Tsinghua Sci. Tech., 2009)四、提出了基于二阶微分包含的绳系卫星有限时域最优控制律设计方法，将系统方程变
8、 换为二阶微分包含形式，使得优化变量数及约束数目显著减少。研究了非电动力绳系卫星释 放过程的固定时间最优控制问题和时间最优控制问题，通过在目标函数或系统约束中引入应 变加速度项，使得张力变化非常平缓，从而有效抑制系绳的弹性振动。由时间最优控制算例 发现：与通常的物理直观相反，并非是初始角度越小，释放时间就越短。此外，直接从二阶 动力学方程出发，分析了倾斜轨道上电动力绳系卫星的回收控制问题，发现回收时电动力绳 系卫星轨道倾角之变化对张力最大幅值的影响很小，而系绳电流最大幅值随轨道倾角增大明 显减小；随初始扰动增大，控制量最大幅值及性能指标值均明显上升。另外，还研究了轨道 面内三体绳系卫星编队飞行
9、系统释放过程的非线性最优控制问题，发现由对称初始状态出发 的子星，在随后的释放过程中其运动也具有对称性。 (Int. J. Comp. Math., 2008; 力学学报, 2008)五、提出新的绳系卫星控制地面模拟实验方案、关键技术和系统集成方案，通过天地动 力学相似条件，建立了绳系卫星控制地面模拟实验系统。该系统由卫星仿真器、光学测量模 块、计算机系统和系绳收放组件等构成，其特色在于：通过气浮装置和主动控制喷气力来模 拟绳系卫星系统的空间动力学环境，如重力梯度和 Coriolis 力。具体实验研究包括：制定了 气浮装置、喷管和系绳控制单元参数的设计指标，实现了喷管标定和大幅面工作区域视觉标
10、定，解决了绳系卫星仿真器的状态估计难题；通过实时调整绳长实现卫星仿真器的释放和回收，根据在线优化及后退时间区间控制理论设计了反馈控制器；首次设计并实现了二阶伪谱 非线性最优实时控制的硬件平台，通过加入符号数学预处理器和利用矩阵稀疏结构，编制了 实时高效的非线性最优控制律求解模块；通过计算机视觉、无线局域网和多任务并行技术， 实现了绳系卫星地面实验系统的成功构建和技术集成，成功进行了受控绳系卫星释放和回收 的地面控制实验。 （振动工程学报, 2010）该研究为我国绳系卫星技术的发展奠定了基础，尤其是在理论研究和数值模拟的基础上， 创建了我国第一套绳系卫星控制地面模拟实验系统，实现了绳系卫星释放和
11、回收的地面动力 学控制实验。该研究结果引起国际动力学与控制界的关注，成为2010年在英国召开的IUTAM Symposium on Nonlinear Dynamics for Advanced Technologies and Engineering Design 的邀 请报告之一。关键词： 绳系卫星系统，释放，回收，最优控制，协态估计，微分包含，实时轨道产生，模型预测控制，无限时域控制，地面实验Dynamic Control for Deployment and Retrieval of Tethered SatelliteSystemsWen HaoABSTRACTThe technol
12、ogy of Tethered Satellite System (TSS) has great potential for a wide range of applications and promises to revolutionize many aspects of space exploration and exploitation. However, because of their overall flexibility and low-damping characteristics, the tethers are strongly susceptible to undergo
13、ing a complicated set of librations and vibrations when they are placed into a space environment and coupled with satellites. The problem becomes even more challenging when the deployment and retrieval parts of a TSS mission are taken into consideration because the librations and vibrations of tethe
14、r can grow dramatically due to the effect of the Coriolis accelerations. If not carefully controlled, motions with large amplitudes may result in an excessively high tensional stress beyond the strength of tether material and may lead to the failure of a whole TSS. Moreover ，TSS is not only highly n
15、onlinear in dynamics but also involves state (tether length) time-varying over a large range and mission-related complex constraints. Therefore, the dynamics and control of any TSS are quite complex. Another problem of practical interest is how to verify the initial results of theoretical studies, b
16、ecause the spaceflight experiment of TSS is quite costly. (Acta Mech. Sin., 2008)This dissertation focuses on the dynamics and control problems concerning tether deployment and retrieval from the perspective of theoretical analysis ，numerical computation, the design and implementation of experiment. The research features in its tight combination of the theoretical, numerical and experimental investigations. Additionally, both the presented contr
