Оптимальное управление относительным движением космического аппарата на околокруговых орбитах с ограничениями на направление тяги

Авторы

Чжоу С. .^*, Ишков С. А.^**, Филиппов Г. А.^***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: chousyao@yandex.ru
**e-mail: ishkovs@gmail.com
***e-mail: filippov.ga@ssau.ru

Аннотация

Рассматривается задача определения оптимального управления относительным движением космического аппарата с двигателем конечной тяги с ограничениями на ее направление – исследуется важный для практики случай, когда тяга ориентирована в плоскости местного горизонта. Приведена линеаризованная математическая модель относительного движения, представленная переменными, описывающими вековое, периодическое и боковое движение в безразмерном виде. Критерием оптимальности выбрана минимальная продолжительность маневра. Выполнено моделирование полученной программы управления на исходной нелинейной модели. 

Ключевые слова:

управление относительным движением космического аппарата, орбитальная цилиндрическая система координат, безразмерные характеристики относительного движения, вековые и периодические составляющие относительного движения, ориентация тяги в плоскости горизонта

Библиографический список

1. Красильщиков М.Н., Малышев В.В., Федоров А.В. Автономная реализация динамических операций на геостационарной орбите. I. Формализация задачи управления // Известия РАН. Теория и системы управления. 2015. № 6. С. 82–96. DOI: 10.7868/S0002338815060116

2. Войсковский А.П., Красильщиков М.Н., Малышев В.В., Федоров А.В. Автономная реализация динамических операций на геостационарной орбите. II. Синтез алгоритмов управления // Известия РАН. Теория и системы управления. 2016. № 6. С. 107–128. DOI: 10.7868/S0002338816060111

3. Zhao X., Zhang S. Adaptive saturated control for spacecraft rendezvous and docking under motion constraints // Aerospace Science and Technology. 2021. Vol. 114. DOI: 10.1016/j.ast.2021.106739

4. Guo Y., Zhang D., Li A. et al. Finite-time control for autonomous rendezvous and docking under safe constraint // Aerospace Science and Technology. 2021. Vol. 109. DOI: 10.1016/j.ast.2020.106380

5. Zhang Y., Zhu B., Cheng M., Li S. Trajectory optimization for spacecraft autonomous rendezvous and docking with compound state-triggered constraints // Aerospace Science and Technology. 2022. Vol. 127. No. 12: 107733. DOI: 10.1016/j.ast.2022.107733

6. Чжоу С., Ишков С.А., Филиппов Г.А. Оптимальное управление относительным движением космического аппарата по критерию быстродействия на околокруговых орбитах // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 163–173.

7. Дзесов Р.А., Жуков В.Н., Мельников Е.К., Павлов В.П. Баллистический анализ схемы быстрого сближения транспортных кораблей с международной космической станцией // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 3. С. 73–79.

8. Ma H., Xu S. Global optimization of fuel consumption in rendezvous scenarios by the method of interval analysis // Advances in Space Research. 2015. Vol. 55. No. 6, pp. 1687-1704. DOI: 10.1016/j.asr.2015.01.001

9. Li J. Revisiting the fuel-optimal four-impulse rendezvous problem near circular orbits // Advances in Space Research. 2017. Vol. 60. No. 10, pp. 2181-2194. DOI: 10.1016/j.asr.2017.08.035

10. Иванов В.М. Основные положения концепции орбитального обслуживания перспективных автоматических космических аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2008. Т. 15. № 3. С. 5–7.

11. Бабанина О.В., Гасанбеков К.Н., Прохоренко И.С. Двигательная установка коррекции для наноспутников на фреоне // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 136–146.

12. Седельников А.В., Танеева А С., Орлов Д.И. Формирование проектного облика малого космического аппарата технологического назначения на основе опыта проектирования и эксплуатации космических аппаратов технологического назначения других классов // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 84–93. DOI: 10.34759/vst-2020-3-84-93

13. Седельников А.В., Белоусова Д.А., Орлов Д.И., Филиппов А.С. Оценка влияния температурного удара на динамику орбитального движения космического аппарата технологического назначения // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 200–208. DOI: 10.34759/vst-2019-4-200-208

14. Han P., Guo Y., Li C. et al. Multiple GEO satellites on-orbit repairing mission planning using large neighborhood search-adaptive genetic algorithm // Advances in Space Research. 2022. Vol. 70. No. 2, pp 286-302. DOI: 10.1016/j.asr.2022.04.034

15. Асланов В.С., Юдинцев В.В. Стыковка с объектом космического мусора при помощи разворачиваемой упругой балки-ленты // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 2. С. 16–24.

16. Баранов А.А., Будянский А.А., Разумный Ю.Н. Управление движением космического аппарата при подлете к крупногабаритному объекту космического мусора // Космические исследования. 2017. Т. 55. № 4. С. 285–289.

17. Баранов А.А. Гришко Д.А., Медведевских В.В., Лапшин В.В. Решение задачи облета объектов крупногабаритного космического мусора на солнечно-синхронных орбитах // Космические исследования. 2016. Т. 54. № 3. С. 242–250. DOI: 10.7868/S0023420616030018

18. White A., Lewis H.G. An adaptive strategy for active debris removal // Advances in Space Research. 2014. Vol. 53. No. 8, pp. 1195-1206. DOI: 10.1016/j.asr.2014.01.021

19. Narayanaswamy S., Wu B., Ludivig P. et al. Low-thrust rendezvous trajectory generation for multi-target active space debris removal using the RQ-Law // Advances in Space Research. 2023. Vol. 71. No. 10, pp. 4276-4287. DOI: 10.1016/j.asr.2022.12.049

20. Назаров А.Е. Управление относительным движением космических аппаратов при организации тандемной схемы полета // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2018. № 1(39). С. 27–35.

21. Ren F., Li R., Xu J., Feng C. Indirect optimization for finite thrust orbit transfer and cooperative rendezvous using an initial guess generator // Advances in Space Research. 2023. Vol. 71. No. 6, pp. 2575-2590. DOI: 10.1016/j.asr.2022.11.010

22. Константинов М.С., Каменков Е.Ф., Перелыгин Б.П., Безвербый В.К. Механика космического полета: Учеб. – М.: Машиностроение, 1989. – 408 с.

23. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. – М.: Наука, 1965. – 540 с.

24. Ишков С.А. Сближение космических аппаратов с малой тягой на околокруговых орбитах // Космические исследования. 1992. Т. 30. № 2. С. 165–179.

25. Ишков С.А., Филиппов Г.А. Исследование оптимальных программ управления относительным движением космического аппарата с ограниченной тягой // Космические исследования. 2023. Т. 61. № 3. С. 248–257.