Купить
Открытый доступ
Только для подписчиков
Оптимальное управление относительным движением группы космических аппаратов
Аннотация
Рассмотрена задача оптимального управления относительным движением группы (пары) космических аппаратов (КА), которая сформулирована в виде задачи Лагранжа на основе критерия минимизации расхода управляющих ускорений, соответствующего минимизации расхода рабочего тела или удельного импульса тяги. На основе уравнений Хилла—Клохесси—Уилтшира получена математическая модель относительного пространственного движения пары КА, находящейся на круговой орбите вокруг центрального тела. При этом один из них является управляемым, а другой — неуправляемым КА. Проведено аналитическое описание управления движением такой пары КА. Сформулирован критерий оптимальности, который определяет минимизацию расхода управляющих ускорений КА для решения задачи с заданными граничными условиями на фиксированном интервале времени. Получена система уравнений Эйлера—Лагранжа как необходимое условие существования экстремума. Получено аналитическое решение задачи Лагранжа. Для исследования полученного решения выполнено моделирование относительного движения КА по дистанции, относительной высоте, боковому отклонению для четырех временных интервалов, равных половине витка, одному, двум и четырем виткам. Исследовано влияние располагаемого времени (длительности) маневра КА на значение потребных максимальных управляющих ускорений и форму траекторий. Определена зависимость заданного критерия оптимальности управления от длительности маневра. Показано, что с увеличением длительности маневра уменьшаются суммарные затраты управляющих ускорений КА и максимальное значение управляющих ускорений. Показано изменение формы оптимальных траекторий и, соответственно, программного закона управления КА с увеличением длительности маневра. Обсуждается практическое применение полученных результатов. На основе аналитического решения предложен алгоритм синтеза управляющих ускорений КА, содержащий этапы определения начального относительного положения КА; определения потребного относительного положения КА; определения желаемой длительности маневра; вычисления значений постоянных интегрирования с учетом начального и желаемого состояний и длительности маневра КА; синтеза оптимальных управляющих ускорений и траекторий КА с использованием полученного аналитического решения.
Об авторах
Е. М. Воронов
МГТУ им. Н. Э. Баумана
Россия
Россия
Доктор технических наук, профессор
Москва
А. А. Карпунин
МГТУ им. Н. Э. Баумана
Россия
Россия
Кандидат технических наук, доцент
Москва
М. В. Палкин
АО "ВПК "НПО машиностроения"
Россия
Россия
Кандидат технических наук, помощник ген. директора
Реутов
И. П. Титков
МГТУ им. Н. Э. Баумана
Россия
Россия
Аспирант
Москва
Список литературы
1. 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.
2. Палкин М. В. Некоторые аспекты формирования групп космических аппаратов и управления ими // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 3. С. 29—35.
3. Титков И. П. Алгоритм формирования оптимальных периодических структур по критерию безопасности и точности // Электронный журнал "Молодежный научнотехнический вестник". 2015. № 12. 7 с. URL: http://sntbul. bmstu.ru/doc/825956.html.
4. Палкин М. В., Титков И. П. Управление маневрами космических аппаратов группового полета // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. № 20(5). С. 308—313. DOI:10.17587/mau.20.308-313.
5. Scharf D. P., Hadaegh F. Y., Ploen S. R. A survey of spacecraft formation flying guidance and control. Part II: control // Proceedings of the 2004 American Control Conference, Boston, MA, USA. 2004. Vol. 4. P. 2976—2985.
6. Аверкиев Н. Ф., Власов С. А., Житников Т. А. и др. Формирование структуры баллистически связанной группы космических аппаратов дистанционного зондирования земли // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8, № 4. С. 11—16.
7. Назаров А. Е. Управление относительным движением космических аппаратов при организации тандемной схемы полета // Вестник ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина. 2018. № 1. С. 19—29.
8. Koenig A. D’Amico S. Safe spacecraft swarm deployment and acquisition in perturbed near-circular orbits subject to operational constraints // Acta Astronautica. No. 153. 2018. DOI:10.1016/j.actaastro.2018.01.037.
9. Schlanbusch R. Kristiansen R. Nicklasson P. Spacecraft formation reconfiguration with collision avoidance // Automatica. No. 47. 2011. DOI:1443—1449. 10.1016/j.automatica.2011.02.014.
10. Овчинников М. Ю. Динамика и управление перспективными многоэлементными орбитальными системами // Вестник ННГУ. 2011. № 4-2. 3 с.
11. Jianqiao Z., Ye D. Biggs J. Sun Z. Finite-time relative orbit-attitude tracking control for multi-spacecraft with collision avoidance and changing network topologies // Advances in Space Research. 2018. N. 63. 21 p. DOI:10.1016/j.asr.2018.10.037.
12. Mauro G. Di, Bevilacqua R., Spiller D., Sullivan J., D’Amico S. Continuous maneuvers for spacecraft formation flying reconfiguration using relative orbit elements // Acta Astronautica. 2018. N. 153. P. 311—326. DOI:10.1016/j.actaastro.2018.01.043.
13. Гончаревский В. С. Оптимальное непрерывное управление взаимным маневром космических аппаратов без ограничений на вид траектории в орбитальной относительной системе координат // Информация и Космос. 2016. № 1. С. 143—147.
14. Franzini G., Tannous M., Innocenti M. Spacecraft relative motion control using the state-dependent Riccati equation technique. // 10th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems. 29 May — 2 June 2018. Salzburg, Austria. 15 p.
15. Yunjun X., Fitz-Coy N. G., Lind R., Tatsch A. m Control for Satellites Formation Flying // Journal of Aerospace Engineering — J AEROSP ENG. 2007. N. 20. DOI:10.1061/ (ASCE)0893-1321(2007)20:1(10).
16. William Wiesel. Optimal Impulsive Control of Relative Satellite Motion // Journal of Guidance Control and Dynamics. 2003. 26(1). P. 74—78. DOI: 10.2514/2.5016
17. Ulybyshev Y. Long-Term Formation Keeping of Satellite Constellation Using Linear-Quadratic Controller // Journal of Guidance Control and Dynamics. N. 21(1). P. 109—115. DOI: 10.2514/2.4204.
18. Sedwick R. J., Miller D., Kong E. Mitigation of Differential Perturbations in Clusters of Formation Flying Satellites // AIAA/AAS Space Flight Mechanics Conference. Breckenridge, Colorado. 1999. V. 102, Part. 1. AAS99—124. P. 323—342.
19. Clohessy, W. H., Wiltshire, R. S. Terminal Guidance for Satellite Rendezvous // J. Aerospace Sciences. 1960. Vol. 27, N. 9. P. 653—678.
20. Иванов Н. М., Лысенко Л. Н. Баллистика и навигация космических аппаратов. Изд. 3. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. 528 с.
Для цитирования:
Воронов Е.М., Карпунин А.А., Палкин М.В., Титков И.П. Оптимальное управление относительным движением группы космических аппаратов. Мехатроника, автоматизация, управление. 2020;21(11):651-655. https://doi.org/10.17587/mau.21.651-655
For citation:
Voronov E.M., Karpunin A.A., Palkin M.V., Titkov I.P. Satellite Formation Flying Maneuver Optimal Control. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2020;21(11):651-655. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.21.651-655
Просмотров: 126
.png)
Послать статью по эл. почте 