依托国家自然科学基金和加拿大自然科学与工程研究基金,紧跟绳系卫星当前发展趋势和研究热点,本文开展了绳系卫星相关的释放控制、电动力离轨控制及导航可靠性技术研究。绳系卫星系统是指通过系绳连接的卫星组成的系统,由于其可重构、大尺度的优点,它在空间科学探索和航天器变轨技术方面有很高的应用价值,近二十年来成为世界各航天大国的研究热点。释放问题是一切绳系任务的关键问题,除了其欠驱动性带来的挑战,释放过程中的科氏力的影响下也会造成系绳摆动,若无适当的控制律,会导致系统不稳定甚至发生系绳断裂。为了提高释放控制的稳定性和鲁棒性,需要设计既满足控制约束又计算高效的控制律。近年来随着低轨失效卫星日益增多,清除太空垃圾问题成为热点,绳系卫星的电动力离轨是一种极具前景的无燃料的离轨技术,但其离轨控制仍面临着一些挑战。本文主要的研究工作体现在以下5个方面:1.总结了国内外绳系卫星释放控制以及电动力离轨技术的研究现状和绳系任务发展趋势,结合绳系卫星当前面临的问题,确定了绳系卫星释放控制和电动力离轨应用的研究内容。基于分析力学的拉格朗日法,推导了刚体模型下绳系展开动力学模型和电动力绳动力学模型。并分析了其控制系统特性。2.研究了绳系卫星释放的无超调稳定快速释放展开方法,发现了绳系系统内动态的临界稳定性,提出了一种分级-降维分析方法,将控制过程分为轨迹设计和跟踪控制两个阶段。轨迹设计部分,针对绳系卫星欠驱动特点,首先定义一个与绳长和速度关联的间接控制量,用于系统内部动态的镇定,从而得到解析形式的内动态控制律,进而积分获得无超调参考轨迹。跟踪控制部分,采用了反馈线性化方法和反步法,并推导和证明了无超调跟踪控制的参数范围。最后设计了一种简单的开关控制律实现无超调稳定释放,有利于进一步简化释放机构。3.研究了绳系卫星释放过程中最大面内摆角问题,针对较大的摆角会导致系绳出现松弛现象,提出了一种改进的障碍Lyapunov法用于设计绳系卫星内动态控制律,将摆角约束到预设的阈值内,然后将该内动态控制律积分获得考虑摆角约束的参考轨迹。为了解决张力扰动带来的问题,设计了一种非线性扰动观测器,采用了Lyapunov第二法和反步法,设计了基于扰动观测器的跟踪控制律。证明了有界扰动下观测器的稳定性,推导了降低观测误差和跟踪误差的参数调整策略。解决了绳系释放过程中摆角约束控制和实现了高频、低频扰动下的鲁棒性。4.研究了考虑面外角的绳系卫星三维稳定释放问题,提出了一种基于起作用集的实时模型预测控制。采用了多点打靶法离散化优化问题,将其转化为序列二次规划问题,采用了Gauss梯度下降法,求解序列二次规划问题,最后采用一种实时迭代策略解决实时性问题,并在不同仿真条件下,验证了提出方法的有效性和鲁棒性。研究了绳系释放过程中导航可靠性问题,在单星故障假设下,提出一种基于渐进采样一致性的GPS故障卫星的检测与排除问题,并分析了定位误差对绳系卫星释放控制的影响。5.研究了电动力绳离轨控制问题,针对传统轨道六要素存在的奇异问题,采用了一种修正的轨道要素描述方法。采用了实时MPC实现了电动力绳留位状态控制,发现了初始摆角与收敛速度的关系;提出了一种开环优化-闭环实时MPC的控制策略,实现了电动力绳的稳定快速降轨。本文4个主要的创新点为:1.提出了一种解决欠驱动系统的分级-降维控制律,通过建立直接与间接控制量的关系,用间接控制量镇定内部动态,再由该间接控制量积分出无超调的释放参考轨迹。针对连续释放控制机构,提出一种基于局部反馈线性化的跟踪控制,推导和证明了无超调跟踪的参数范围。针对离散释放控制机构,设计了一种开关控制律,使其特别适合简化绳系卫星释放机构。2.提出了一种改进的障碍Lyapunov法,可以调整反馈控制在受约束状态接近阈值时的灵敏度;此外基于Lyapunov第二法和反步法设计一种基于扰动观测器的鲁棒跟踪控制器,并推导和证明了设计的观测器对于有界误差的收敛性,通过仿真对比验证了所提出控制策略的有效性和优势。本方法只需更小的释放初速度,和更平滑的控制张力,揭示了低频扰动才是影响系统误差的主因。3.提出了一种采用实时迭代策略的MPC控制,提高了优化速度,并将其应用到绳系卫星三维释放控制。揭示绳系卫星面外角初值为零时,相当于二维绳系释放控制。分析了不同摆角初值条件对释放结果的影响,分析了随机扰动对释放结果的影响。提出了一种基于渐进采样一致性的更为高效的GPS卫星故障检测与排除方法,并分析了导航故障对绳系卫星释放控制的影响。4.建立了一种基于修正轨道要素的电动力绳系卫星轨道动力学方程,基于实时模型预测控制完成了电动力绳留位状态稳定控制,提出了一种开环优化-闭环跟踪的实时模型预测控制策略,并仿真验证了电动力绳离轨效率。