Управление маневрами космических аппаратов группового полета

Представлена прикладная задача управления маневрами группы автоматических космических аппаратов (КА). К важнейшим критериям баллистического проектирования группы КА относятся максимизация срока активного существования КА группы, обеспечение заданной точности формирования конфигурации, предотвращение столкновения КА.

Предложены методы поддержания пространственной конфигурации КА различного назначения (методы "постоянного" строя, "переменного" строя, "смешанный"), выданы рекомендации по их применению.

Среди идеологий управления конфигурацией КА группового полета возможно выделить две. Первая подразумевает независимое выдерживание каждым КА группы собственных априори заданных параметров орбиты. Вторая подразумевает выделение из группы КА лидеров, задающих конфигурации для ведомых КА.

Для управления маневрами КА группы целесообразно применение подходов теории оптимального управления многообъектными многокритериальными системами.

Разработанный на основе такой теории алгоритм состоит из трех повторяющихся этапов: 1) определение текущих параметров движения КА группы; 2) выбор направления, величины и длительности импульса управления каждого активного космического аппарата на основе прогноза параметров движения КА и критериев оптимизации; 3) выдача импульсов управления.

В работе такой алгоритм адаптирован для решения задачи управления группой КА по критериям минимизации изменения конфигурации и максимизации расстояния между КА при пересечении узловых точек (точек максимального сближения орбит) по методу "переменного строя".

Алгоритм включает этапы расчета относительного положения КА группы; прогноза относительного положения КА в момент прохождения "узловой точки"; расчета для каждого КА параметров маневра, обеспечивающего максимальное относительное расстояние между КА в момент ее прохождения.

Рассмотрен модельный пример определения параметров конфигурации группы КА для решения указанной задачи.

Исследуется зависимость длительности вычислений от параметров алгоритма и числа КА группы.

Представлены рекомендации и проведен анализ возможности практического применения полученных результатов.

1. Воронов Е. М. Методы оптимизации управления многообъектными многокритериальными системами на основе стабильно-эффективных игровых решений / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2001.

2. Воронов Е. М., Карпунин А. А., Палкин М. В. и др. Формирование конфигурации группы спутников и многокритериальное управление по конфигурационной точности и расходу // Труды XXXVIII академических чтений по космонавтике. Москва, январь 2014, под общей редакцией А. К. Медведевой. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2014. 418 с.

3. Палкин М. В. Некоторые аспекты формирования групп космических аппаратов и управления ими // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21, № 3. С. 29—35.

4. Палкин М. В. Концептуальные вопросы создания и применения космических аппаратов группового полета // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2015. № 08. С. 100—115.

5. Патент 2592121 РФ. Способ группового орбитального движения искусственных спутников / М. В. Палкин, А. Н. Лавренов, Р. А. Петухов // Федеральный институт промышленной собственности. Заявл. 27.12.2011.

6. Патент 2569236 РФ. Способ группового орбитального движения искусственных спутников / М. В. Палкин, А. Н. Лавренов, Р. А. Петухов // Федеральный институт промышленной собственности. Заявл. 01.07.2014.

7. Титков И. П. Алгоритм формирования оптимальных периодических структур по критерию безопасности и точности // Электронный журнал "Молодежный научно-технический вестник". 2015. № 12. 7 с. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/825956.html.

8. Clohessy W. H., Wiltshire R. S. Terminal Guidance System for Satellite Rendezvous // Journal of the Astronautical Sciences. 1960. Vol. 27, N. 9. P. 653—678.

9. LaPointe M. R. Formation Flying with Shepherd Satellites // NIAC Phase I Final Report. 2001. P. 1—3. URL: www.niac.usra.edu.

10. Alfriend K., Vadali S. R., Gurfil P. et al. Spacecraft Formation Flying: Dynamics, Control and Navigation. Elsevier, 2009. 402 p.