novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.546-556novtexmech-1635Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTЧисленное моделирование и анализ условий пространственного монотонного сближения двух спутников на орбите МарсаNumerical Modeling and Analysis of Spatial Monotonic Approach Conditions of Two Satellites in Mars OrbitВеисиС.VeisiS.

Аспирант, 

Самара.

 

Samara.

veisi.saajjad@gmail.comЛюбимовВ. В.LyubimovV. V.

Д-р техн. наук, доц., 

Самара.

Lyubimov Vladislav V., Dr. of Tech. Sc., Associate Professor,

Samara.

vlubimov@mail.ruФГАОУ ВО "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева"РоссияSamara National Research UniversityRussian Federation2024121020242510546556Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1635

Рассматривается проблема пространственного монотонного сближения двух космических аппаратов, находящихся в начальный момент времени на двух круговых орбитах вокруг Марса. При этом один космический аппарат, называемый маневренным, должен подлететь на заданное расстояние к другому космическому аппарату, называемому пассивным. Пассивный космический аппарат совершает движение исключительно по своей орбите и не выполняет маневров. Целью работы является численное моделирование и анализ условий пространственного монотонного сближения маневренного и пассивного космических аппаратов на орбите Марса. При математическом моделировании относительного движения космических аппаратов предполагается, что их сближение описывается линеаризованными уравнениями Хилла—Клохесси—Уилтшира. Известно, что при постоянном среднем движении пассивного космического аппарата по орбите данные уравнения имеют аналитическое решение. При получении и анализе условий пространственного монотонного сближения данных космических аппаратов применяются выражения для первой и второй производных расстояния между этими космическими аппаратами. Получение этих производных базируется на применении дифференциального исчисления функций одной переменной. На основе известных решений линеаризованных уравнений Хилла—Клохесси—Уилтшира решается краевая задача сближения маневренного и пассивного спутников на орбите Марса. Рассматривается применение закона управления на основе ПД регулятора, интегрированного с генетическим алгоритмом, для обеспечения точного и оптимального монотонного сближения. Разработан алгоритм сближения маневренного и пассивного космических аппаратов на орбите Марса. С практической точки зрения сближение этих космических аппаратов может осуществляться в целях дистанционной подзарядки аккумулятора пассивного спутника. При этом подзарядку выполняет маневренный спутник, передавая свет от бортовой светодиодной лампы на солнечные батареи пассивного спутника. Устройство передачи света представляет собой параболический излучатель, в фокусе которого расположена мощная светодиодная лампа.

This study investigates the problem of the spatial monotonic rendezvous of two spacecraft, initially orbiting Mars in distinct circular paths. The maneuvering spacecraft is tasked to rendezvous with a passive spacecraft, which strictly adheres to its orbit without executing any maneuvers. The aim of this study is to numerically model and analyze the conditions that facilitate the spatial monotonic approach of these spacecraft. The mathematical modeling of their relative motion employs the linearized Hill-Clohessy-Wiltshire equations, which have a known analytical solution when the passive spacecraft sustains a constant orbital motion. The analysis involves using expressions for the first and second derivatives of the distance between the spacecraft, calculated through differential calculus of functions of several variables. The boundary problem of achieving a rendezvous between the maneuvering and passive satellites in Mars orbit is addressed by utilizing solutions to the linearized Hill-Clohessy-Wiltshire equations. This study also explores the use of a control strategy based on a PD (Proportional-Derivative) regulator integrated with a genetic algorithm to ensure precise and optimal monotonic rendezvous. From a practical standpoint, this rendezvous could facilitate the remote recharging of the passive satellite’s battery, where the maneuvering satellite employs an onboard LED lamp to beam light to the solar panels of the passive satellite. The light transmission device consists of a parabolic emitter with a powerful LED lamp positioned at its focal point, enhancing the efficiency of the energy transfer.

пространственное движениенавигация КАмонотонное сближениекруговая орбитаподзарядка аккумуляторовгенетический алгоритмПД регуляторусловия устойчивостирадиус-векторуравнения движенияspatial motionspacecraft navigationmonotonic approachcircular orbitbattery recharginggenetic algorithmPD controllerstability conditionsradius vectorequations of motionReferencesClohessy W. H., Wiltshire R. S. Terminal guidance system for satellite rendezvous // Journal of the Aerospace Sciences. 1960. Vol. 27, N. 9. P. 653—658.Clohessy W. H., Wiltshire R. S. Terminal guidance system for satellite rendezvous, Journal of the Aerospace Sciences, 1960, vol. 27, no. 9, pp. 653—658.Caruso A., Quarta A. A., Mengali G., Bassetto M. Optimal On-Orbit Inspection of Satellite Formation // Remote Sens. 2022. Vol. 14. P. 5192.Caruso A., Quarta A. A., Mengali G., Bassetto M. Optimal On-Orbit Inspection of Satellite Formation, Remote Sens., 2022, vol. 14, pp. 5192.Sevier M., Romano M. Time-optimal maneuvers of a spacecraft between two arbitrary states in proximity of a circular reference orbit // Advances in Space Research. 2023.Sevier M., Romano M. Time-optimal maneuvers of a spacecraft between two arbitrary states in proximity of a circular reference orbit, Advances in Space Research, 2023.Behrendt G. et al. Autonomous Satellite Rendezvous and Proximity Operations with Time-Constrained Sub-Optimal Model Predictive Control // arXiv preprint. 2022.Behrendt G. et al. Autonomous Satellite Rendezvous and Proximity Operations with Time-Constrained Sub-Optimal Model Predictive Control, arXiv preprint, 2022.Yang Z., Xing L., Gu Z., Xiao Y., Zhou Y., Huang Z., Xue L. Model-based reinforcement learning and neural-networkbased policy compression for spacecraft rendezvous on resourceconstrained embedded systems // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2022. Vol. 19, N. 1. С. 1107—1116.Yang Z., Xing L., Gu Z., Xiao Y., Zhou Y., Huang Z., Xue L. Model-based reinforcement learning and neural-networkbased policy compression for spacecraft rendezvous on resourceconstrained embedded systems, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2022, vol. 19, no. 1, pp. 1107—1116.Ortolano N., Geller D. K., Avery A. Autonomous optimal trajectory planning for orbital rendezvous, satellite inspection, and final approach based on convex optimization // The Journal of the Astronautical Sciences. 2021. Vol. 68, N. 2. P. 444—479.Ortolano N., Geller D. K., Avery A. Autonomous optimal trajectory planning for orbital rendezvous, satellite inspection, and final approach based on convex optimization, The Journal of the Astronautical Sciences, 2021, vol. 68, no. 2, pp. 444—479.Soderlund A. A., Phillips S., Zaman A., Petersen C. D. Autonomous satellite rendezvous and proximity operations via geometric control methods // AIAA Scitech 2021 Forum. 2021. P. 0075.Soderlund A. A., Phillips S., Zaman A., Petersen C. D. Autonomous satellite rendezvous and proximity operations via geometric control methods, AIAA Scitech 2021 Forum, 2021, pp. 0075.Веиси С., Любимов В. В. Задача сближения двух спутников на орбите методом численного моделирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 10. С. 555—559.Veisi S., Lyubimov V. V. The Rendezvous Mission of Two in-Orbit Satellites Using Numerical Simulation, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no. 10, pp. 555—559 (in Russian).Veisi S., Lyubimov V. V. Utilizing A Genetic Algorithm for Optimization of Two-Impulse Rendezvous Maneuvers Between Spacecraft in the Martian Orbit // 2023 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics): Сб. тр. конф. Омск, 14—15 ноября 2023 г. 2023. С. 1—5. URL: 10.1109/Dynamics60586.2023.10349672.Veisi S., Lyubimov V. V. Utilizing A Genetic Algorithm for Optimization of Two-Impulse Rendezvous Maneuvers Between Spacecraft in the Martian Orbit, 2023 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics): conference proceedings. Omsk, Russian Federation, November 14-15, 2023. pp. 1—5, doi: 10.1109/Dynamics60586.2023.10349672. (in Russian).Веиси С., Любимов В. В. Применение генетического алгоритма при моделировании дистанционной подзарядки аккумулятора пассивного спутника посредством световой системы маневренного спутника // Управление движением и навигация летательных аппаратов: Сб. тр. XXVI Всеросс. конф. 2023. С. 14—21.Veisi S., Lyubimov V. V. Application of a Genetic Algorithm for Modeling the Remote Charging of a Passive Satellite’s Battery Using a Light System of a Maneuverable Satellite, Motion Control and Navigation of Aircraft: proc. XXVI All-Russian seminar on motion control and navigation of aircraft (Samara, June 14—16, 2023), Samara, Samara University Publishing, 2023, pp. 14—21 (in Russian).Жилинский В. О., Гагарина Л. Г. Алгоритмы выбора навигационных космических аппаратов при решении навигационной задачи // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17, № 6. С. 43—55.Zhilinsky V. O., Gagarina L. G. Algorithms for Selecting Navigation Spacecraft in Solving the Navigation Task, Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2021, vol. 17, no. 6, pp. 43—55 (in Russian).Ишков С. А., Филиппов Г. А., Фадеенков П. В. Оптимальные программы управления по быстродействию в задаче сближения с малой трансверсальной тягой // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 4. С. 67—80.Ishkov S. A., Filippov G. A., Fadeenkov P. V. Optimal control programs for speed in the rendezvous problem with low transversal thrust, Bulletin of Samara University. Aerospace engineering, technology and mechanical engineering, 2018, vol. 17, no. 4, pp. 67—80 (in Russian).Филиппов Г. А. Итерационная процедура выбора программы управления сближением с малой тягой в задаче утилизации космического мусора на геостационарной орбите // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16, № 3. С. 125—137.Filippov G. A. Iterative procedure for selecting a lowthrust rendezvous control program in the problem of space debris disposal in geostationary orbit, Bulletin of Samara University. Aerospace engineering, technology and mechanical engineering, 2017, vol. 16, no. 3, pp. 125—137 (in Russian).Филимонов Н. Б., Никоненко Т. М., Фомичев В. А. Алгоритм управления выравниванием посадочного маневра летательного аппарата методом "гибких" полиномиальных траекторий // Journal of vanced Research iAdn Technical Science. 2021. № 25. С.43—50.Filimonov N. B., Nikonenko T. M., Fomichev V. A. Algorithm for controlling the alignment of the landing maneuver of an aircraft using the method of "flexible" polynomial trajectories, Journal of Advanced Research in Technical Science, 2021, no. 25, pp. 43—50 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.