Preview

Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie

Advanced search

Algorithm for the Optimal Turn of a Spacecraft in the Sense of the Minimal Energy Loss under Arbitrary Boundary Conditions

https://doi.org/10.17587/mau.16.536-544

Abstract

The problem of the optimal turn in the sense of minimal energy loss of a spacecraft as a rigid body with an arbitrary distribution of mass without constraint of a control action and under arbitrary boundary conditions is considered in the quaternion statement. In the class of the generalized conical motions a modification was made of the task of optimal rotation, which allowed to obtain analytical solution to the movement equations containing any constants and two any scalar functions (parameters of the generalized conic movement). Concerning these functions and their derivatives the optimizing problem with a square functionality, in which the second derivative of these two functions acts as control, was formulated and solved using Pontryagin maximum principle. Explicit expressions for the optimal angular velocity and the optimal control vectors of a spacecraft are presented. The motion trajectory of a spacecraft is generalized as a conical precession. Algorithm for the optimal turn of a spacecraft is given. The found analytical solution to the modified problem can be considered as an approximate solution to the classical problem of an optimal turn of a spacecraft under arbitrary boundary conditions. Numerical examples are presented showing that the solution of the modified problem well approximates the solution of the classical problem of a spacecraft optimal turn. These examples contain reorientations of the International Space Station and of the Space Shuttle.

About the Authors

Ya. G. Sapunkov
Institute of Precision Mechanics and Control Problems, RAS
Russian Federation


A. V. Molodenkov
Institute of Precision Mechanics and Control Problems, RAS
Russian Federation


References

1. Бранец В. Н., Шмыглевский И. П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 с.

2. Scrivener S. L., Thompson R. C. Survey of Time-Optimal Attitude Maneuvers // J. Guidance, Control, and Dynamics. 1994. V. 17, N 2. P. 225-233.

3. Петров Б. Н., Боднер В. А., Алексеев К. Б. Аналитическое решение задачи управления пространственным поворотным маневром // Докл. АН СССР. 1970. Т. 192. № 6. С. 1235-1238. 1

4. Бранец В. Н., Черток М. Б., Казначеев Ю. В. Оптимальный разворот твердого тела с одной осью симметрии // Космич. исслед. 1984. Т. 22. Вып. 3. С. 352-360.

5. Сиротин А. Н. Оптимальное управление переориентацией симметричного твердого тела из положения покоя в положение покоя // Изв. АН СССР. МТТ. 1989. № 1. С. 36-46.

6. Сиротин А. Н. Об оптимальной по быстродействию пространственной переориентации в положение покоя вращающегося сферически-симметричного твердого тела // Изв. РАН. МТТ. 1997. № 3.

7. Молоденков А. В. Кватернионное решение задачи оптимального в смысле минимума энергетических затрат разворота, твердого тела // Проблемы механики и управления. Сб. научн. трудов. Пермь: ПГУ, 1995. С. 122-131.

8. Молоденков А. В. Решение задачи оптимального разворота сферически симетричного космического аппарата для одного частного случая // Сб. трудов 6-й междунар. конф. "Системный анализ и управление космическими комплексами". Крым, Евпатория. М.: МАИ, 2001. С. 42.

9. Сапунков Я. Г., Молоденков А. В. Численное решение задачи оптимальной переориентации вращающегося космического аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 6. Автоматическое и автоматизированное управление летательными аппаратами. 2008. № 6. С. 10-15.

10. Сапунков Я. Г., Молоденков А. В. Решение модифицированной задачи оптимального разворота космического аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 11. С. 66-70.

11. Молоденков А. В., Сапунков Я. Г. Аналитическое решение задачи оптимального разворота сферически-симметричного космического аппарата в классе конических движений // Изв. РАН. ТиСУ. 2013. № 2. С. 163-172.

12. Понтрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1961. 384 с.

13. Молоденков А. В. К решению задачи Дарбу // Изв. РАН. МТТ. 2007. № 2. С. 3-13.

14. Банит Ю. Р., Беляев М. Ю., Добринская Т. А., Ефимов Н. И., Сазонов В. В., Стажков В. М. Определение тензора инерции международной космической станции по телеметрической информации. Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша РАН. 2002. № 57. 19 с.

15. Li. F., Bainum P. M. Numerical Approach for Solving Rigid Spacecraft Minimum Time Attitude Maneuvers // J. Guidance, Control, and Dynamics. 1990. V. 13, N 1. Р. 38-45.

16. Lastman G. J. A Shooting Method for Solving Two-Point Boundary-Value Problems Arising from Non-Singular Bang-Bang Optimal Control Problems // Intern. J. Control. 1978. V. 27, N 4. Р. 513-524.


Review

For citations:


Sapunkov Ya.G., Molodenkov A.V. Algorithm for the Optimal Turn of a Spacecraft in the Sense of the Minimal Energy Loss under Arbitrary Boundary Conditions. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2015;16(8):536-544. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.16.536-544

Views: 568


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)