在轨服务中空间系绳的应用及发展

孟中杰，黄攀峰，鲁迎波，胡永新

(1. 西北工业大学航天学院智能机器人研究中心，西安 710072;2. 西北工业大学航天飞行动力学技术国家级重点实验室，西安 710072)

0 引 言

随着人类航天事业的快速发展，在轨服务技术受到了广泛关注。早期的在轨服务任务完全依赖宇航员出舱操作。20世纪80年代以来，以机械臂为代表的空间机器人使在轨服务技术跨入了一个新的时代。进入21世纪后，利用空间系绳的柔性、弹性、易扩展性等优点研发的空间绳系机器人、空间绳网机器人，具有操作距离远、安全、灵活等诸多优势，可广泛应用于失控卫星捕获与回收、轨道垃圾清理等在轨服务任务。

实际上，空间系绳并不是一个全新的概念，其最早可以追溯到19世纪Tsiolkovski[1]提出的“赤道通天塔的设想”，但在一开始，空间系绳的应用只是科学幻想而非现实。研究人员设想通过系绳旋转产生人工重力或者是利用系绳制作空间电梯并用于轨道转移等。在20世纪60年代，空间系绳的应用出现了转折，在之后的几十年内，以美、俄罗斯为代表的航天强国开展了多个空间系绳的在轨应用试验，发表了许多关于空间系绳应用的研究成果。空间绳系机器人和空间绳网机器人的出现又进一步拓展了空间系绳的应用范围，将空间系绳的研究推入一个新的高潮。

本文重点对空间绳系机器人、空间绳网机器人这两种空间系绳新应用的研究进展进行综述。首先简单回顾了空间系绳的早期应用及验证试验，然后依次综述了空间绳系机器人的研究进展、空间绳网机器人的研究进展，最后进行总结和展望。

1 空间系绳的早期应用研究与试验

1.1 早期应用研究

1)人工重力

人工重力可为执行长时间航天任务的宇航员提供一种较为舒适的生活环境，而利用惯性离心力可以产生人工重力，这是空间系绳应用被提出的重要原因之一。

2)空间电梯

空间电梯是空间系绳应用的最初目的之一。其本质是利用系绳将地球表面与同步轨道空间站相连，在不消耗燃料的情况下通过电梯将货物送入轨道，所运送的货物在任意时刻均可与系绳分离进入轨道，且可以适应不同类型的轨道。

3)重力稳定

基于重力梯度的被动稳定控制可以避免对地定向过程中消耗推进剂。Chobotov[2]提出一种利用带载荷柔性长系绳进行重力梯度稳定的方法，将航天器和稳定载荷间的距离扩展到数千米，很好地实现航天器的稳定控制。

4)轨道转移

利用系绳的轨道转移方法分为动量交换变轨和电动力绳变轨两种。动量交换变轨是利用系绳连接的两个航天器间的动量转移，实现一个航天器升轨、一个航天器降轨。电动力绳变轨是通过带电导线和地磁场的相互作用产生的洛伦兹力来实现，可以在不消耗推进剂的情况下实现航天器的轨道维持或转移。截止目前为止，轨道转移仍是空间系绳领域研究的热点，被国内外学者广泛关注。

5)系绳编队

由于各种空间干扰的存在，卫星需要消耗大量燃料保持编队构型。而利用系绳连接形成的系绳卫星编队，可以通过系绳很好地保持卫星间的相对距离。特别是，特定构型的系绳编队具有很好的自旋稳定性，可以节省编队飞行所需的大量燃料。系绳编队由于其独特的优势引起了国内外学者的广泛关注，并日益成为系绳应用的一个重要方向。

1.2 空间试验验证

1965年3月18日，前苏联宇航员在第一次太空行走时，利用一根绳子将他与飞船相连，这是第一次在太空应用系绳的试验。从此以后，作为安全措施，系绳在太空行走等空间任务中长期应用。

1966年9月12日，在美国“双子座-11号”任务中，“双子座”飞船和“阿金纳”飞船通过系绳相连，并通过旋转，首次产生了10-4g的人工重力加速度。同年11月11日，在“双子座-12号”任务中，首次开展利用系绳的重力稳定试验。这两次试验表明，空间系绳的动力学特性十分复杂。因此，在“阿波罗”登月计划中未利用空间系绳，这也是导致系绳空间试验停滞十多年的主要原因。

进入20世纪80年代后，研究人员对空间系绳试验重燃兴趣。美国、日本、加拿大等国利用系绳进行了大量试验，例如系绳载荷试验、合作高空火箭炮试验、电离层等离子体电场分布测量试验等。

1992年7月，美国和意大利合作开展了绳系卫星系统(TSS-1)试验。该试验主要针对系绳动力学、基于法拉第效应的电能产生等进行试验研究。在试验中，子卫星垂直向下释放，在释放268 m时发生故障，无法继续展开。在TSS-1计划失败后，TSS-1R计划于1996年再次启动。在这次试验中，系绳展开了19.7 km，产生了3500 V的电压，证明了导电系绳在电能产生方面的巨大潜力。

1993年3月，美国开展了小型可扩展展开系统(SEDS-1)试验。目的在于验证利用系绳不消耗燃料实现载荷返回的能力。系绳展开过程比预想的快且顺利，展开结束时相对速度达到7 m/s，导致了一系列的振荡。系绳在预定时间切断，载荷坠落到墨西哥海岸附近。1994年，同一个试验小组进行了SEDS-2试验，验证反馈控制下系绳展开机构的效率。该试验实现了系绳沿当地铅垂方向的展开，展开后相对运动速度小于0.02 m/s，摆动幅度小于4°。

1996年，美国进行了系绳物理学与生存能力试验(TiPS)，主要目的是研究空间系绳的可靠性和长期使用问题。该试验计划运行三年，但直至2006年，该系统仍然在轨道上良好运行。在TiPS试验成功的基础上，1998年，先进系绳试验系统(ATEx)被送入轨道，主要验证利用航天器上推力器抑制系绳振荡的方法，并考察多芯扁平系绳的可靠性。

2000年，美国通过在轨皮卫星自动发射平台将一对由30 m系绳连接的皮卫星送入轨道，顺利完成了MEMS的空间验证。

2002年，欧空局提出了地球同步轨道清理机器人(ROGER)计划，计划通过系绳连接的手爪和网对失效卫星进行捕获并移除。该计划于2003年完成方案设计评审后即被终止，但其提出了系绳新的应用方式，启发并引领了十几年来的空间系绳研究。在一个新的轨道垃圾主动移除计划中，利用了类似的概念，并于2018年9月16日初步在轨验证了利用绳网捕获模拟目标，2019年2月8日初步验证了利用绳矛捕获模拟目标。

2007年，俄罗斯和欧洲联合进行青年工程师卫星-2(YES2)试验，验证利用系绳动态释放方法实现在轨载荷返回的可行性。系绳顺利展开至29 km，返回舱成功离轨，试验卫星轨道高度抬升了1.3 km。

2009年，日本宇宙航空研究开发机构利用H-IIA火箭发射并试验了KUKAI卫星系统，验证利用系绳和摆杆控制子星姿态的可行性。由于故障，系绳仅展开几厘米，试验失败。

2010年，日本和美国联合完成了空间系绳试验(T-REX)，首次成功验证绝缘电动力绳收集空间电子的可行性，并验证了预测小尺度空间系绳收集电子效率的相关理论。

2 空间绳系机器人

空间绳系机器人(见图1、图2)是由刚性的绳系机器人、空间系绳和空间平台三部分组成的新型空间在轨捕获工具[3-5]。由于其较远的操作距离、大机动性与灵活性，空间绳系机器人(Tethered space robot，TSR)在空间在轨服务任务中极具发展前景，可广泛应用于空间在轨维护、在轨加注、轨道机动和空间碎片清除等任务中。2019年2月8日在轨验证的绳矛可以视为一种特殊的无自主机动能力的空间绳系机器人。空间绳系机器人的任务流程如图3所示，可分为下述四个阶段。

1)变轨/接近机动段。空间平台通过一系列变轨/接近机动逼近至距目标星200 m处，为空间绳系机器人的释放做准备。

2)逼近段。平台释放绳系机器人，机器人控制系统根据自主测量的目标星的位置、姿态等信息，利用自带的推力器和系绳协调控制相对位置和姿态，确保以最佳抓捕状态靠近目标。

3)抓捕及稳定段。绳系机器人抓捕目标卫星的帆板支架、星箭对接环等特定部位。在捕获完成后，利用自带的推力器和空间平台上的系绳张力调节装置共同作用，实现捕获后组合体的快速稳定。

4)拖曳变轨段。利用空间平台上的变轨推力器对组合体实施单端推力拖曳变轨，同时，利用系绳收放、张力控制等实现组合体的姿态稳定和目标星的姿态稳定，在达到期望轨道时，机器人释放目标星，并回收至空间平台。

本节从动力学特性分析、目标星相对状态测量、逼近控制、抓捕及稳定、拖曳变轨五个方面综述空间绳系机器人的研究进展。

2.1 动力学特性分析

在动力学建模方面，根据复杂度的不同，目前有三个层次的系绳模型[4-5]。最简单的是哑铃模型，这种模型忽略了系绳的弹性和柔性，而将其假设成一个刚性杆；其次是质量弹簧模型，这种模型重点考虑系绳的半弹簧特性，而忽略了系绳的柔性特性；最复杂的是系绳多体模型，这种模型利用有限元或集中质量法，并充分考虑系绳的弹性和柔性，该模型最能体现系绳的特点。在此基础上，Meng等[6]充分考虑两端绑体的多刚体构型和系绳收放因素，提出一种通用的空间绳系机器人的建模方法，为其动力学特性的分析及后续的控制研究奠定了基础。

在此基础上，众多的科研工作者对其动力学特性展开了大量研究。Mantri等[7]详细分析了空间系绳在展开阶段的动力学影响因素，Yu等[8]研究了J2摄动和热效应作用下系统的动力学行为，同时还分析了J2摄动、热效应、大气阻力、太阳光压、碎片撞击和轨道偏心率等复杂外部环境下的系统非线性动力学特性[9]。He等[10]在推导空间绳系系统动力学模型的基础上，计算了系绳展开和回收时的平衡状态条件。Liu等[11]分析了带有短系绳的太空拖船在离轨阶段的动力学特性。俄罗斯绳系研究方面的著名学者Aslanov等在文献[12-17]中也深入研究了利用空间拖船进行碎片清理时的动力学特性，考虑了太空拖船的推力作用、大气扰动、重力梯度、空间碎片的动力学特性以及系绳振动和碎片振动的耦合关系等诸多因素。伊朗学者Soltani等[18]研究了一类空间绳系机器人系统的动力学特性及其轨迹跟踪效果。

2.2 目标相对状态测量

空间绳系机器人需要自主测量目标星与机器人的相对状态信息，但受机器人小型化约束，绳系机器人的传感器配置极为受限，这给相对状态测量带来了极大的挑战。针对此问题，西北工业大学航天学院进行了深入研究[4-5]。

针对较远距离阶段目标跟踪问题，Huang等[19]提出了一种基于单目视觉的特征点实时追踪方法。针对中距离阶段难以利用视觉传感器精确解算出目标和机器人的距离问题，文献[20-21]系统地提出一种基于角度导航的目标逼近策略。Huang等[22]设计了一种非完整视场下的目标测量方法，该方法可精确估计出机器人和目标间的位置和姿态信息。针对超近距阶段相对位姿无法测量问题，Chen等[23]研究了对目标边缘线的实时跟踪问题，可利用点线不变特征，提取出非完整视场下的帆板支架边缘信息;同时该研究团队还提出一种非合作目标捕获时的位置预测方法[24]，并基于结构化边缘和超像素对比法优化了目标候选区域[25]。此外，蔡佳[26]也对空间绳系机器人的测量做了大量工作，特别是提出了一种基于梯度生长和灰度投影的圆形检测算法[27-28]。该方法所需设置参数较少；通过适应区域的应用极大地减少了无用的距离计算和累加，同时提高了求解圆参数的精度，且不依赖目标的边缘信息检测。

2.3 目标逼近控制

由于姿态/轨道耦合、系绳弹性振动、推进器执行能力受限以及工作环境的复杂性等，空间绳系机器人逼近控制极为复杂。针对此难题，西北工业大学航天学院进行了大量深入研究。

孟中杰、黄攀峰等系统研究了目标星的逼近控制问题，针对不同阶段、不同控制目的提出了不同的控制思路[4-5]。文献[29-30]提出了一种基于速度增量的多目标逼近轨迹优化控制方法，利用机器人自带推力器提供速度增量的方式进行轨迹规划及优化。文献[31-32]针对逼近段的燃料消耗问题，设计基于自适应伪谱法的最优控制器和协调控制方法，充分利用系绳张力，显著降低燃料消耗。王东科等[33]设计了一种基于可移动系绳点的姿态协调控制机构，利用系绳同时实现姿态的协调控制；Wang等[34]还提出了一种新型逼近稳定控制策略，该控制方法同样利用可移动系绳连接点，利用系绳张力和推力的协调控制，实现对目标星的逼近控制。而胡仄虹等[35]利用hp自适应伪谱算法和PD控制器构建了一种位姿耦合控制器，胡永新等[36]设计了一种基于超扭滑模动态逆控制方法，有效抑制各种外部扰动，控制系统具有较强的鲁棒性。针对近距离逼近段视场不完整问题，孟中杰等[37]提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法，利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿，同时利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。

2.4 目标抓捕及稳定

在目标抓捕及稳定控制方面，西北工业大学航天学院同样进行了大量深入研究[4-5]。

文献[38-39]分析绳系机器人抓捕目标过程，并设计了一种抓捕过程的阻抗控制器，确保实现快速可靠抓捕。Zhang等[40]针对抓捕后组合体参数未知问题，研究了组合体的动力学特性，并在线辨识出组合体的惯性参数。充分考虑了系绳的柔性、弹性等因素影响，Huang等[41]设计了一种自适应控制方法，实现对未知参数组合体的姿态稳定控制。Lu等[42]设计了一种终端滑模控制方法来实现捕获后绳系组合体的稳定控制，但其将系绳视为外部扰动，执行机构为机器人自带的推力器，不能有效地降低燃料消耗。为降低抓捕后的燃料消耗问题，Huang等[43-44]提出了一种协调控制方法，文献[45-46]还考虑机器人小型推力器无法满足组合体姿态稳定需求因素，设计了一种自适应抗饱和稳定控制策略，该控制策略是由系绳张力和安装在机器人上的推力器共同完成。针对以机械臂作为末端抓捕器的绳系机器人构型，Wang等[47]设计了一种目标捕获后组合体的姿态协调稳定控制律，该控制律是由推力器、系绳张力装置和空间机械臂来提供。此外，Huang等[48]还设计了一种自适应反步控制方法来实现组合体的稳定控制，其中，指令滤波用来限制系绳收放速率，反馈项用来解决推力饱和问题，自适应律项用来消除因参数不确定和外部扰动带来的扰动效应。

2.5 拖曳变轨

在完成目标星捕获与稳定后，需要将其拖离当前轨道，这称为拖曳变轨，属于目前热门的“主动垃圾清理”研究。在利用空间绳系机器人进行拖曳变轨中，由于仅空间平台具有控制能力，系绳扮演着一个至关重要的角色。

Zhao等[49]研究了恒定推力下系绳的摆动效应，得出摆动频率、平衡位置均与绳长相关的结论。Zhao等[50]还研究了利用系绳进行拖曳过程中的推力控制策略，平台变轨推力可始终沿着当地水平方向、轨道切向、轨道径向和轨道法向。该种变轨方式虽能有效避免因推力关闭而带来的不良影响，但是耗时较长，推进剂消耗也较大。Cho等[51]采用持续推力的变轨方式，提出以平台推力为性能指标的最优变轨策略。在此基础上，Meng等[52]设计了基于时间和推力综合最优的变轨轨道。

针对拖曳过程的稳定控制问题，王秉亨[53]等提出需要着重研究其防碰撞、防缠绕、防摆动问题。针对防碰撞问题，Jasper等[54-55]采用了推力滤波技术使系绳张力平滑地顺应变轨推力的变化，保证了两端有足够的安全距离，但该策略必须保证系绳预先张紧。Benvenuto等[56]以相对距离为反馈量设计空间平台的额外推力控制律。Linskens等[57]则针对推力施加阶段和推力关闭阶段分别设计不同的相对距离制导律。Cleary等[58]提出基于波控制的平台推力控制律，通过吸收系绳反弹所产生的能量来防止两端的碰撞。王秉亨[53]提出一种利用系绳张力分配及跟踪控制的方法，用较小的代价解决了防碰撞问题。针对防缠绕问题，Meng等[59]设计了一种基于super-twisting的被动振动抑制方法，降低系绳缠绕可能性。Wang等[60]设计了一种摆杆机构，仅利用系绳来实现拖曳过程中的欠驱动稳定控制。在此基础上，利用更加简单的线性滑杆[61]，并充分考虑执行器动态性能，设计了一种欠驱动稳定控制器，实现拖曳过程中的稳定控制，有效避免系绳缠绕。针对防摆动问题，Meng等[52]着重研究了系绳张力受限情况下的拖曳稳定控制难题，王秉亨等[62]提出了一种先优化系绳摆角指令，再设计欠驱动张力控制律的系绳收放摆动抑制策略。Meng等[63]还提出一种借助空间平台变轨推力，依靠平台姿态机动，通过系绳传导，同时实现轨道跟踪和系绳摆动抑制的新方法。

2.6 进展和挑战

近年来，诸多学者针对空间绳系机器人操作任务各个阶段的测量、动力学和控制问题展开了研究，并取得了一定的成果。但空间绳系机器人系统是一个高度耦合的复杂多体系统，且柔性系绳的存在，使得利用绳系机器人执行捕获任务和完成捕获后的控制极具挑战性。尤其是在实际在轨服务任务中，若待捕获的目标是自由翻滚的非合作目标或空间碎片，其对测量、逼近、捕获、稳定控制等带来的一系列挑战值得深入研究，且抓捕碰撞过程中的精细控制也值得深入研究。此外，最为困难的是，置信度高、具备天地一致性的地面试验验证手段缺乏，这也是制约当前空间绳系机器人研究及应用中的一个极大难题，需要广大国内外学者迎接挑战。

3 空间绳网机器人

与空间绳系机器人的“系绳+刚性操作工具”构型相比，空间绳网机器人将刚性操作装置变为以绳索编织的柔性飞网，如图4所示。虽然降低了末端操作能力，但通过将抓捕时的刚体-刚体形式改变为刚体-柔性体形式，将卫星某部位抓捕方式改变为整体抓捕，极大地提升了目标捕获能力，尤其适用于非合作失稳目标的捕获[64]。2018年9月16日初步在轨验证的绳网就属于空间绳网机器人。其目标捕获流程与空间绳系机器人相似，但增加了释放后飞网从折叠到展开的过程，本节主要从网型与结构设计、动力学模型、绳网控制三个方面综述当前的主要研究进展。

3.1 网型与结构设计

空间绳网机器人的飞网展开是由执行机构的离心运动实现的，离心运动导致了飞网的非均匀预应力分布。为保证网的顺利展开，整张网必须具有足够的张力。网格的几何拓扑决定网的预应力，预应力决定网面外角运动的刚度。在面外角上，网的刚度和旋转会产生自身的振荡。进而导致网性能降低。因此，网型和网格拓扑结构的相关研究和分析极为重要。在这方面，Tibert等[65]研究了网的最大允许垂跨比，同时，他们研究了三角形网格的动力学模型，并进行了数值仿真[66-67]。Schüerch等[68]改进了网的折叠方式设计，提出了一种能够承受大剪切变形的四边形网格结构。Kyser[69]分析了具有均匀预应力的网格几何关系。此外，由于三角形、正方形和六角形是三种主要拓扑结构，许多研究人员通过比较三者之间的结构和应力，发现网子的平衡构型是由其应力分布决定的。而Cook[70]，Evers-man[71]和Guest[72]等学者发现特征频率和自由振模式对其行波、平面外阻尼和轨道机动等其他现象影响明显。网子的结构设计也是空间绳网机器人的研究重点。MacNeal[73]提出了空间网的结构设计标准。网的优化设计需要考虑质量、预应力性、可制造性、垂直于轨道面的刚度、特征频率等。根据上述要求,在离心力作用下,带有正方形网格的方形网是最佳选择。

由于飞网需要预先折叠在空间平台上并在发射后展开，因此，良好折叠方式设计至关重要。许多研究人员在完成网型设计的基础上，根据柔性系绳的动力学行为探索了多种折叠方式。Scheel[74]设计了一个具有直线折叠线的折叠模式, McInnes[75]提出一种自中心轮毂辐射的新折叠模式，而Schuerch[76]研究并设计了一种星形折叠模式，可以将网折叠到释放子系统的中心轮毂处。

在空间绳网机器人的总体设计方面，Benvenuto[77]分析了绳网机器人工作的全过程，包括：绳网机器人由释放系统弹射，飞网展开，并与分布于其角落的质量块同步飞行，与目标碰撞，质量块收口并捕获目标。该团队还研究并完成了绳网机器人的详细设计，包括材料、尺寸和配置、网格尺寸和拓扑结构以及收口装置系统等，并进行了抛物线飞行试验,简单验证了释放、弹射过程[78]。该团队还设计了一种绳网和网枪发射装置，旨在研究拖着四个质量块的锥形或金字塔形的网[79]。该团队还重点研究了网抛射动力学模拟器,并开展相关试验验证[80]。文献[81-82]也详细研究了空间绳网机器人的设计,包括弹射机制、网型配置和捕获元件配置等。此外，Zhai等[83]还设计了绳网机器人的数据管理子系统、姿态/轨道控制子系统及目标跟踪子系统等。

3.2 绳网动力学模型

飞网动力学问题一直是空间绳网机器人的研究热点。在单绳建模的基础上，学者们建立了不同复杂度的绳网机器人模型，例如：刚性模型[80-84]、质量弹簧模型[85-86]、绝对节点坐标公式模型[87]和三次B样条曲线插值表面模型[88]等。

最常用也最简单的是刚体模型，它将系绳视为刚体，将平台和飞网视为质量点,模型简单、容易推导,且可以更好地展示系绳的动力学。在此基础上, Zhai等[89]研究了其在展开阶段的性能,包括在圆形轨道上的自由和非自由运动及动力学，还研究了可能导致轨道高度变化的轨道动力学扰动问题。Liu等[84]对这一模型进行了简单修改，将飞网视为四根系绳，并研究了该系统的轨道运动、主星的相对高度运动以及捕获后重新入轨的动力学。弹簧模型能够很好地反映绳网机器人的动力学,多用于描述四边形网。Benvenuto等[85]讨论了绳网机器人在目标捕获和清除阶段可能出现的问题，并对碰撞检测、接触动力学和回收中的系绳张力控制进行了研究。Botta等[86]推导了考虑涡旋的飞网的质量弹簧模型，还着重研究并分析了飞网的展开动力学[90]。绝对节点坐标模型可以更好地描述网的弹性，特别是反映网上两个节点之间的弹性。Shan等[87]推导了空间绳网机器人的绝对节点坐标模型,并在数值模拟的基础上与传统的质量弹簧模型进行了比较。结果表明，绝对节点坐标模型能够描述网的柔性,但计算成本较高。此外，Shan等[91]利用抛物线飞行试验对飞网的展开建模方法进行了验证。

近年来，空间绳网机器人与目标星的接触动力学受到了越来越多的关注。Benvenuto及其团队研究了接触过程的各个方面,包括网和绳的建模、碎片建模、碰撞检测、接触动力学、收口机制等[85]。该团队还改进了接触模型，用非线性连续顺应模型代替了传统的线性赫兹定律[92]。Botta等[93]利用一种修正的接触力线性连续模型和摩擦模型研究绳网机器人的接触动力学。该团队还引入了微滑移摩擦模型,并将该模型应用于微重力和真空条件下圆柱形碎片的捕获模拟中[94]。

3.3 绳网控制方法

由于绳网机器人在释放后几乎处于无控状态，其控制方面的研究大部分集中在弹射和收口控制上。在这方面，Gao等[95]通过试验和仿真研究了绳网捕获系统的释放方案，Zhai等[81]提出了一种通过系绳张力补偿误差的控制方法，王班等[96]提出了一种采用超声波电机作为驱动源的飞网自适应收口机构的设计及实现方法。Sharf等[97]研究了用于绳网清除的目标碎片封闭系统设计和试验。王晓慧等[98]从捕获任务层面出发，建立了面向捕获容错的飞网参数优化模型，并求解得到了飞网的最优设计参数。

西北工业大学航天学院黄攀峰团队对空间绳网机器人进行改进，提出一种可机动空间绳网机器人的概念[99-101],如图5所示。该机器人由一张飞网和位于网角的可机动单元组成。机动单元的运行会导致飞网的不对称，从而产生极为复杂的振动。由于网角的刚性可机动单元和大型的柔性飞网,其飞行控制问题十分复杂。张帆等[101-102]研究了机动飞网机器人的释放动力学和稳定性，考虑系绳弹性和空间环境的不确定性,采用二阶滑模控制方法对机器人进行了控制。同时，该团队还分别对对称构型和非对称构型进行了分析[103],提出了一种改进的自适应超扭滑模控制方案。在此基础上，又提出一种改进自适应超扭滑模控制律，对绳网的振动进行抑制[104]。该团队还利用机动单元的控制能力，研究了飞网展开阶段的耦合动力学建模和形状保持难题[103-107]。同时,孟中杰等[100]还利用约束反力推导了一种新的绳网机器人动力学模型,并提出了动力学反演和滑模控制的双环控制方案。此外，该团队还研究了基于编队的空间飞网运动学和动力学[108],利用扩展的Hamilton原理推导了动力学模型，并将其逆动力学转化为双级优化问题，并研究了利用机动单元的飞网收口控制[109]，捕获时的碰撞及其稳定控制等[110]。

3.4 进展与挑战

近年来,利用空间绳网机器人主动移除被认为是一种有前途的空间碎片清除方法,但与刚性捕获相比,该方法仍处于起步研究的阶段。由于绳网机器人在轨道捕获中使用特殊的投掷展开方式，且系绳相对较短，使得平台卫星和飞网的耦合明显。而机动绳网机器人通过多单元协同机动的方式实现网型维持和机动飞行，带来了很多更加复杂的一致性控制问题，值得深入研究。

4 结 论

由于柔性系绳在空间在轨服务中的潜在应用，针对空间系绳的研究近年来成为一个研究热点，已涌现出大量的研究成果。本综述首先介绍了空间系绳的早期应用与在轨试验，然后依次介绍了空间绳系机器人、空间绳网机器人两种新型的系绳在轨应用的研究与发展情况。然而，目前仍有许多关键问题亟待解决。例如：受场地、环境等条件限制，大部分的研究均是通过数值仿真校验，少量具有试验验证的研究也仅涉及某个特定的单或多自由度，未证明其天地一致性问题。此外，空间系绳的材料、编织方式等也是后续应关注的重点问题，随着空间技术的不断发展，系绳由于其独特优势，将在越来越多的任务场景中发挥作用。期待在不久的将来，空间系绳给人类的太空探索和开发带来越来越多的革命性变化。