摘要
二体绳系卫星系统是由柔性绳索连接的双卫星系统，其在大气探测、深空探索、
空间发电和空间碎片清理上均有重要应用。但受太空中重力梯度以及超长系绳的柔
性特性影响，使得二体绳系卫星系统在释放和回收中，系绳易产生横向摆动、纵向
振动以及与子星缠绕等复杂耦合运动特性。因此开展高精度绳系卫星系统动力学特
性分析与试验研究，对绳系卫星系统的在轨释放和回收具有重要意义。
针对多体耦合下绳系卫星动力学高精度建模难题，本文提出了一种基于非线性碰
撞柔性系绳约束下的二体绳系卫星系统动力学建模方法。基于柔性系绳结构特性，
构建了绳索离散化模型以及离散段间柔性连接力模型，考虑系绳与子星间非线性碰
撞等影响因素，建立了非线性碰撞力方程，最后基于拉格朗日法构建了带乘子绳系
卫星系统动力学模型。进一步开展了单根绳索模型动力学仿真验证，并将本文模型
与商业软件仿真结果进行对比分析，其结果表明本文模型与商业软件计算误差小于
5%，证明了该模型的有效性和可靠性，为下一阶段绳系卫星动力学特性研究提供了
理论支撑。
针对绳系卫星系统运动释放和回收过程中的系统参数优化问题，基于本文提出
的动力学模型，开展了子星释放速度、子星质量以及子星偏心距等系统参数对动力
学特性影响规律的动力学仿真研究。仿真结果表明：在子星释放速度初值为（θ=6°，
0
v=27m/s）和（θ=34°，v=21m/s）时，系统稳定后的面内角振荡幅值相对最小；子
000
星质量选取区间在15kg-30kg时，子星的有效释放和回收可以得到有效保障；子星偏
心距越小，系统在运行过程中越为稳定。该仿真结果对绳系卫星系统的稳定释放和
回收阶段参数的选取具有指导意义。
针对绳系卫星地面模拟试验验证问题，搭建了三自由度二体绳系卫星地面模拟试
验系统，开展了试验系统的高精度验证研究，验证结果表明本文设计的地面模拟试
验装置精度高，满足试验要求。在此基础上，开展了本文搭建的动力学模型仿真与
地面试验对比试验研究，分析了不同子星释放距离和偏心距对系绳张力以及子星面
内角影响规律，进一步对本文动力学模型进行了验证，试验结果显示模型预测的张
力与面内角相对误差均小于5%，验证了本文建立的动力学模型和地面模拟试验系统
的有效性和可靠性。
关键词：绳系卫星；释放和回收；动力学建模；动力学仿真分析；试验验证
I
II
ABSTRACT
ThedualtetheredsatellitesystemisaTwin-satellitesystemconnectedbyaflexible
tether,whichhasimportantapplicationsinatmosphericexploration,deepspaceexploration,
spacepowergenerationandspacedebrisremoval.However,thegravitygradientinspace
andtheflexibilityoftheextra-longtethermakethedualtetheredsatellitesystemproneto
complexcoupledmotioncharacteristicssuchaslateraloscillation,longitudinalvibrationand
entanglementwiththesub-satelliteduringreleaseandrecovery.Therefore,theanalysisand
experimentalresearchonthedynamicsofhigh-precisiontetheredsatellitesystemisofgre