Управление переориентацией малоразмерного космического аппарата при высоком снижении эффективности исполнительных устройств с использованием скользящего режима

Обсуждается синтез законов управления переориентацией малоразмерного космического аппарата нанокласса стандарта кубсат в случае высокого снижения эффективности исполнительных устройств. Под высоким снижением эффективности (деградацией) исполнительных устройств понимается  ситуация, при которой значение управляющего момента, создаваемого исполнительным устройством, становится равной 5% от максимального значения в штатном случае функционирования. При описании углового движения малоразмерного космического аппарата учитываются гравитационный, аэродинамический и возмущающий моменты. Задача переориентации малоразмерного космического аппарата решается для случая деградации двух каналов управления с использованием скользящего режима. Для синтеза законов управления используется оригинальная нелинейная скользящая поверхность. В процессе решения задачи были получены квазиадаптивный и адаптивный законы управления, сравнение которых проводится с использованием математического моделирования. Под квазиадаптивным законом управления понимается закон, в котором коэффициенты скользящей поверхности постоянны, но зависят от начальной угловой скорости. Под  адаптивным законом управления понимается закон, в котором коэффициенты скользящей поверхности изменяются согласно заданным дифференциальным уравнениям. Для настройки двух коэффициентов скользящей поверхности предложена и реализована идея использовать экспериментально полученную зависимость между двумя коэффициентами скользящей поверхности и начальной угловой скорости. По результатам численного моделирования можно сделать вывод, что адаптивный закон обеспечивает меньшее, по сравнению с квазиадаптивным законом, время решения задачи. Квазиадаптивный закон проще в реализации, поскольку не требует адаптации коэффициентов.

1. Saleh J. H., Castet J.-F. Spacecraft Reliability and Multistate Failures a Statistical Approach. Wiley & Sons, 2011, 224 p.

2. Tafazoli M. А study of on-orbit spacecraft failures // Acta Astronautica. 2009. N. 64 (2—3), P. 195—205.

3. Wayer J. K., Castet J.-F., Saleh J. H. Spacecraft attitude control subsystem: Reliability, multi-state analyses, and comparative failure behavior in LEO and GEO // Acta Astronautica. 2013. Vol. 85. P. 83—92.

4. Сомов С. Е., Сомова Т. Е., Бутырин С. А., Сомов Е. И. Наведение и управление ориентацией спутника при отказах в кластере реактивных маховиков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2024. Т. 26, № 2 (118). С. 121—130.

5. Somov Y. I., Rayevsky V., Titov G., Yakimov Y., Mathylenko M. Fault Tolerant Gyromoment Control of Information Spacecraft with Fine Pointing of Large-Scale Antennas // IFACPapersOnLine. 2015. Vol. 28, N. 9. P. 210—215.

6. Somov Ye. I., Kozlov A. G., Rayevsky V. A., Anshakov G. P., Antonov Y. G. Nonlinear Dynamic Research of the Spacecraft Robust Fault Tolerant Control Systems // IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). 15th IFAC World Congress. Elsevier B. V., 2002. P. 115—120.

7. Somov Ye. I., Reshetnev M. F., Kozlov A. G., Rayevsky V. A., Matrosov V. M., Titov G. P. Fault-Tolerant Attitude Control Systems of the Communication and Navigation Spacecraft // IFAC Proceedings Volumes. Proceedings of the 14th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace 1998. P. 123—128.

8. Овчинников М. Ю., Иванов Д. С., Ролдугин Д. С., Ткачев С. С., Карпенко С. О. Разработка рекомендаций по управлению ориентацией микроспутника "Чибис-М" в случае отказа части исполнительных органов // Механика, управление и информатика. 2013. № 1 (13). С. 132—145.

9. Yin S., Xiao B., Ding S. X., Zhou D. А Review on Recent Development of Spacecraft Attitude Fault Tolerant Control System // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016. Vol. 63, N. 5. P. 3311—3320.

10. Nasir A., Atkins E. M. Fault tolerance for spacecraft attitude management // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Canada. 2010.

11. Sadigh S. M., Kashaninia A., Dehghan S. M. M. Adaptive finite-time fault-tolerant control for nano-satellite attitude tracking under actuator constraints // Aerospace Science and Technology. 2023. Vol. 138. P. 108337.

12. Белоконов И. В., Тимбай И. А., Николаев П. Н. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных космических аппаратов нанокласса формата CubeSat // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26, № 3 (102). С. 69—91.

13. Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2002. Vol. 107, N. A12. P. 1468—1483.

14. Sinpetru L. A., Crisp N. H., Mostaza-Prieto D., Livadiotti S., Roberts P. C. E. ADBSat: Methodology of a novel panel method tool for aerodynamic analysis of satellites // Computer Physics Communications. 2022. Vol. 275. P. 108326.

15. Bird G. A. Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford: Clarendon Press, 1994. 458 p.

16. Horri N. M., Palmer P. Practical Implementation of Attitude-Control Algorithms for an Underactuated Satellite // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2012. Vol. 35 (1). P. 40—50.

17. Hall D. Spacecraft Attitude Dynamics and Control. Virginia Polytechnic Institute and State University: Blacksburg, 2003.