前 言

空间系绳系统，又称为绳系卫星系统，由一根或多根柔性系绳将两个或多个航天器组合而成，能够完成传统刚性航天器不能完成或不便完成的多种空间任务。在众多空间系绳系统构型中，旋转系绳系统凭借其绕质心的周期性自转运动，具有优异的旋转稳定性和可观的角速率增量，在大型载荷运输、人造重力环境构建、编队机动和构型保持、空间碎片清理等方面具有广阔的应用前景。然而，旋转系绳系统作为全新的航天技术，其尺寸远大于传统航天器，特有的旋转构型使得其动力学特性更为复杂，控制难度也高于常规空间任务，是目前国内外研究热点之一。因此，开展对旋转系绳系统控制技术的研究，对于我国航天技术发展有着重要的理论和实际意义。本书是笔者多年从事旋转系绳系统控制研究工作的系统总结。

全书共分为 6 章：第 1 章绪论，介绍了旋转系绳系统的应用、建模分析、试验概况、控制技术、系绳材料和控制机构，并归纳总结了目前研究面临的主要问题；第 2 章旋转系绳系统动力学建模，介绍了坐标系定义及坐标转换关系，基于不同假设建立了描述系绳运动的刚性哑铃模型、柔性珠点模型，以及描述末端航天器姿态运动的欧拉角模型、四元数模型；第 3 章起旋阶段运动特性分析及控制律设计，介绍了旋转模态的运动特性，提出了轨道面内方向起旋和轨道面外方向起旋的开环策略及其对应的闭环控制律设计；第 4 章旋转面机动保持运动特性分析及控制方案设计，介绍了多个旋转面间机动情况下的系统运动特性，提出了多个旋转面间机动的开环机动策略和闭环控制律，并基于在轨紧急避障任务设计了基于电动力的旋转运动机动方案；第 5 章变轨阶段运动特性分析及控制策略设计，提出了基于电动力的旋转系绳系统变轨机动控制律并进行了参数优化；第 6 章末端航天器姿态控制律设计，介绍了系绳安装误差等因素对末端航天器姿态的影响，并提出了多种末端体姿态运动控制律。

本书内容是作者和所指导的研究生田昊昌、陈书敏、恒天伦、曾滢、孙佩杰、付强、周凌枫、卿诚、陈怡、任甲颖、李博等多年工作的结晶，在此特向他们表示感谢。研究生杨航、李林晓、张莹、刘晓晓、马世通、谢明泽、徐榕蔚、刘建一、马凯、孙晨阳、张弛在本书资料整理、排版和校稿中做了很多有益工作，对他们表示感谢。特别感谢西北工业大学中俄国际空间系绳系统研究中心主任王伟教授和俄罗斯萨马拉国立航空航天大学扎伯罗特诺夫?尤里教授和伊斯科夫?谢尔盖对本书所提供的大力支持和有益帮助。同时，作者谨对如下项目所提供的资助表示衷心感谢：国家自然科学基金（62273277）、陕西省重点研发项目（2023－GHZD－32）、中央高校基本科研业务费专项（D5000220031）、中国博士后基金（2023M732862）、重庆市自然基金（2023NSCQ－MSX2403）、广东省自然基金（2024A1515012189）和陕西省自然基金（2024JC－YBQN－0650）。

书中如有不妥之处，敬请读者批评指正。

作者

2025 年 12 月

本书是作者在多年从事空间旋转绳系统动力学与控制理论和实践研究的基础上撰写而成的，较全面地介绍了旋转绳系统动力学建模、控制和仿真分析方法。本书针对旋转绳系统进行动力学建模，并对系统各阶段进行运动特性分析及控制律设计，包括起旋阶段、旋转面机动阶段、变轨阶段，最后进行空间旋转绳系统末端航天器姿态控制律设计。

本书内容丰富，特色鲜明，可供从事空间绳系统或其他航天器动力学建模飞行控制研究、设计和试验的技术人员参考使用。

目录

第 1 章 绪论

1.1 旋转系绳系统的应用背景

1.1.1 人造重力

1.1.2 载荷投送

1.1.3 深空探测

1.1.4 碎片清除

1.1.5 观测平台

1.2 旋转系绳系统的数学模型

1.2.1 哑铃模型

1.2.2 分布参数模型

1.2.3 姿态模型

1.3 旋转系绳系统的运动分析及控制方法

1.3.1 起旋阶段控制

1.3.2 旋转面保持机动阶段控制

1.3.3 质心轨道机动控制

1.3.4 末端航天器姿态控制

1.4 相关空间在轨试验与地面模拟试验

1.4.1 空间在轨试验

1.4.2 地面模拟试验

1.5 系绳材料与结构

1.5.1 系绳主体材料

1.5.2 系绳涂层材料

1.5.3 系绳物理结构

1.6 旋转系绳系统常用控制力形式

1.6.1 无工质推进类

1.6.2 有工质推进类

1.7 本书研究的主要问题

参考文献

第 2 章 旋转系绳系统动力学建模

2.1 引言

2.2 坐标系定义及坐标转换关系

2.2.1 坐标系定义

2.2.2 空间系绳系统坐标系的转换矩阵

2.3 基于集中参数假设的双体系绳系统建模方法

2.3.1 基于拉格朗日方程的哑铃模型

2.3.2 考虑轨道变化的修正哑铃模型

2.3.3 考虑系绳质量的修正哑铃模型

2.3.4 基于四元数的哑铃模型

2.4 基于分布参数假设的双体系绳建模方法

2.4.1 基于牛顿方程的珠点模型

2.4.2 圆轨道下的珠点模型特殊形式

2.5 末端航天器姿态建模方法

2.5.1 欧拉角模型

2.5.2 四元数模型

2.6 本章小结

参考文献

第 3 章 起旋阶段运动特性分析及控制律设计

3.1 引言

3.2 起旋阶段运动特性分析

3.2.1 平衡状态稳定性分析

3.2.2 摆动模态稳定性分析

3.2.3 旋转模态稳定性分析

3.3 面内起旋开环控制方案设计

3.3.1 惯性矩固定的推力慢速动态起旋控制方案

3.3.2 惯性矩可变的推力快速展开起旋控制方案

3.3.3 电动力起旋开环控制方案

3.4 面内起旋闭环控制律设计

3.4.1 推力起旋有限时间控制律

3.4.2 电动力起旋最优控制律

3.5 面外起旋控制律

3.5.1 轨道面外旋转问题描述

3.5.2 推力起旋自适应有限时间抗退绕控制律

3.5.3 推力起旋障碍函数有限时间控制律

3.6 本章小结

参考文献

第 4 章 旋转面机动保持运动特性分析及控制方案设计

4.1 引言

4.2 旋转面机动运动特性分析

4.2.1 旋转系绳系统旋转方式

4.2.2 垂直轨道面的旋转运动状态

4.3 基于非奇异终端滑模的旋转面角度机动控制律设计

4.3.1 旋转面机动控制力实现方式分析

4.3.2 非奇异终端滑模控制律设计

4.3.3 仿真分析

4.4 考虑控制力受限和基于智能算法的旋转面角度机动控制律设计

4.4.1 考虑控制力受限的旋转面角度机动滑模控制律设计

4.4.2 基于智能控制算法的旋转面角度机动滑模控制律设计

4.5 电动力系绳系统旋转面面内避障

4.5.1 旋转系绳系统与碎片交会预报模型

4.5.2 交会碰撞概率计算

4.5.3 电动力系绳系统面内避障方案

4.5.4 电动力系绳面内避障最优轨迹设计

4.5.5 基于模糊逼近原理的自适应滑模控制律

4.5.6 控制律设计

4.5.7 仿真分析及验证

4.6 电动力系绳系统旋转面轨道避障

4.6.1 任务概述

4.6.2 恒定电流下旋转电动力系绳系统动力学分析

4.6.3 变轨控制律设计

4.6.4 变轨控制律下旋转电动力系绳系统动力学分析

4.6.5 旋转电动力系绳系统稳定性分析

4.6.6 轨道避障控制律设计

4.6.7 轨道机动避障方案

4.6.8 带有积分滑模面的控制输入模糊化自适应滑模控制律设计

4.6.9 仿真分析及验证

4.7 旋转面半径机动避障

4.7.1 旋转面半径机动方案参数计算

4.7.2 旋转系绳系统旋转面半径机动可靠性分析

4.7.3 旋转系绳系统旋转面半径机动方案参数优化

4.7.4 基于终端滑模面的旋转面半径机动滑模控制律设计

4.7.5 仿真分析

4.8 本章小结

参考文献

第 5 章 变轨阶段运动特性分析及控制策略设计

5.1 引言

5.2 电动力变轨策略设计

5.2.1 恒定电流对轨道的影响

5.2.2 半长轴机动策略

5.2.3 偏心率机动策略

5.2.4 综合机动策略

5.3 变轨策略参数优化

5.3.1 单纯形法简介

5.3.2 参数优化准则

5.3.3 半长轴机动参数优化

5.3.4 偏心率机动参数优化

5.3.5 综合机动参数优化

5.4 本章小结

参考文献

第 6 章 末端航天器姿态控制律设计

6.1 引言

6.2 不对称性对航天器姿态影响

6.2.1 动、静不对称性定义及计算

6.2.2 仿真结果与分析

6.3 双体系绳航天器指定时间预设性能姿态控制律设计

6.3.1 指定时间性能函数设计

6.3.2 误差转换

6.3.3 基于障碍函数的抗干扰反步控制器设计

6.3.4 仿真分析

6.4 高增益抗饱和控制律设计

6.4.1 电流控制方案

6.4.2 抗饱和姿态控制律设计

6.4.3 仿真分析

6.5 本章小结

参考文献

第 7 章 总结与展望