Алгоритм керування відносним рухом у площині орбіти космічного апарата для безконтактного видалення космічного сміття
| Хорошилов, СВ |
| Косм. наука технол. 2019, 25 ;(1):14-26 |
| https://doi.org/10.15407/knit2019.01.014 |
| Мова публікації: Російська |
Анотація: Статтю присвячено вдосконаленню технології безконтактного видалення космічного сміття, що отримала назву «Пастух з іонним променем». Синтезовано закон керування, який дозволяє підтримувати необхідне положення космічного апарата-пастуха відносно об’єкта космічного сміття у площині орбіти за рахунок зміни тяги тільки одного компенсаторного електрореактивного двигуна у невеликому діапазоні щодо її номінального значення. Для синтезу використано метод змішаної чутливості, який дозволив забезпечити необхідний компроміс між робастною стійкістю, якістю і витратами на керування з урахуванням особливостей впливів, переданих іонним променем, зовнішніх збурень, неточності визначення відносного положення, а також неідеальності реактивного виконавчого органу. Вимоги до синтезованого регулятора задано в частотній області за допомогою обраних вагових функцій.
Результати синтезу підтверджено як за допомогою формального критерію, що базується на понятті структурованих сингулярних чисел, так і шляхом комп’ютерного моделювання з використанням нелінійної математичної моделі, яка враховує широкий спектр орбітальних збурень, що діють на систему. Закон керування забезпечує рух космічного апарата-пастуха на певній невеликій відстані перед об’єктом космічного сміття і ефективну передачу йому гальмувального імпульсу іонним променем у фазі відведення. Показано суттєву перевагу запропонованої моделі керування з точки зору витрат робочого тіла у порівнянні з традиційним підходом, основаному на використанні гідразинових реактивних двигунів. Ця перевага є одним з ключових чинників при виборі керування внаслідок значної тривалості фази виведення космічного сміття.
|
| Ключові слова: витрати робочого тіла, закон керування, компенсаторний двигун, космічне сміття, пастух з іонним променем, робастність |
References:
1. Alpatov A. P., Maslova A. I., Khoroshylov S. V. Contactless de-orbiting of space debris by the ion beam. Dynamics and control. — Beau Bassin: LAP Lambert Academic Publishing. 330 р. (2018) [In Russian].
2. Alpatov A. P., Khoroshylov S. V. Analysis of ways of the attitude control of the space solar station. Tekhnicheskaya mekhanika. vol 4, 3—12 (2005) [In Russian].
3. Fokov A. A., Khoroshylov S. V. Validation of simplified method for calculation of impact of electric thruster plume to orbital object. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. N 2/129, 55—66 (2016) [In Russian].
4. Khoroshylov S. V. Attitude control of space-based solar power station using extended state observer. Tehnicheskaja mehanika. N 3, 117—125 (2011) [In Russian].
5. Khoroshylov S. V. Synthesis of suboptimal compensators in form of extended state observer. Tehnicheskaja mehanika. N 2, 79—92 (2014) [In Russian].
6. Khoroshylov S. V. Relative Motion Control System of Spacecraft for Contactless Space Debris Removal. Sci. innov. Vol 14(4), 5—16 (2018).
7. Alpatov A., Cichocki F., Fokov A., Khoroshylov S., Merino M., Zakrzhevskii A. Algorithm for Determination of Force Transmitted by Plume of Ion Thruster to Orbital Object Using Photo Camera. 66th International Astronautical Congress (12—16 October 1015, Jerusalem) (2015).
8. Alpatov A., Cichocki F., Fokov A., Khoroshylov S., Merino M., Zakrzhevskii A. Determination of the force transmitted by an ion thruster plasma plume to an orbital object. Acta Astronautica. Vol. 119, 241—251 (2016).
9. Alpatov A. P., Fokov A. A., Khoroshylov S. V., Savchuk A. P. Error Analysis of Method for Calculation of Non-Contact Impact on Space Debris from Ion Thruster. Mechanics, Materials Science & Engineering Journal. July, 13 pages (2016).
10. Bombardelli C., Peláez J. Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 34, N 3, 916—920 (2011).
11. Bombardelli C., Urrutxua H., Merino M., Ahedo E., Peláez J. Relative Dynamics and Control of an Ion Beam Shepherd Satellite. Advances in the Astronautical Sci. Vol. 143 (2012).
12. Clark F., Spehar P., Brazzel J., Hinkel H. Laser based relative navigation and guidance for space shuttle proximity operations. Advances in the Astronautical Sciences. Vol. 113, 171—186 (2003).
13. Clohessy W., Wiltshire R. Terminal guidance system for satellite rendezvous . Journal of the Aerospace Sciences. Vol. 27, N 9, 653—658 (1960).
14. Corbett M. H., Edwards C. H. Thrust Control Algorithms for the GOCE Ion Propulsion Assembly. The 30th International Electric Propulsion Conference (17—20 September 2007. Italy, Florence) (2007).
15. Doyle J., Packard A., Zhou K. Review of LFTs, LMIs and μ. IEEE Conference on Decision and Control (December 1991, Brignton, England), (1991).
16. Doyle J. C., Stein G. Multivariable Feedback Design: Concepts for a Classical. Modern Synthesis. IEEE Transactions on Automatic Control. N 26(1), 4—16 (1981).
17. Kumara K. D., Bang H. C., Tahk M. J. Satellite formation flying using along-track thrust. Acta Astronautica. Vol. 61, N 7—8, 553—564 (2007).
18. Lawden D. F. Optimal Trajectories for Space Navigation, London: Butterworths, 1963. 126 p.
19. Leonard C. L., Hollister W. M., Bergmann E. V. Orbital formation keeping with differential drag. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 12 (1), 108—113 (1989).
20. Nesterov Y. The Projective Method for Solving Linear Matrix Inequalities. Math. Programming Ser. B. Vol. 77, 163—190 (1997).
21. Redding D. C., Adams N. J., Kubiak, E. T. Linear quadratic stationkeeping for the STS orbiter // Charles Stark Draper Laboratory, Cambridge, MA, Kept. CSDL-R-1879. (1986).
22. Rems F., Risse E. A., Benninghoff H. Rendezvous GNCsystem for autonomous orbital servicing of uncooperative targets. 10th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems (29 May — 2 June 2017, Salzburg, Austria) (2017).
23. Starin R. S., Yedavalli R. K., Sparks A. G. Spacecraft formation flying maneuvers using linear-quadratic regulation with no radial axis inputs. AIAA Paper. August, 2001—4029 (2001).
24. Vassar R. H., Sherwood R. B. Formationkeeping for a pair of satellites in a circular orbit. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 8, 235—242 (1985).
25. Zhao K., Stoustrup J. Computation of the maximal robust H2 performance radius for uncertain discrete time systems with nonlinear parametric uncertainties. Inter. J. Control. N 67(1), 33—43 (1997).
26. Zhou K., Doyle J. C., Glover K. Robust and Optimal Control, N. J., USA: Prentice-Hall, 1996. — 596 p.
27. Zhou K., Khargonekar P., Stoustrup J., Niemann H. Robust Performance of Systems with Structured Uncertainties in State Space. Automatica. N 31(2), 249— 255 (1995).
2. Alpatov A. P., Khoroshylov S. V. Analysis of ways of the attitude control of the space solar station. Tekhnicheskaya mekhanika. vol 4, 3—12 (2005) [In Russian].
3. Fokov A. A., Khoroshylov S. V. Validation of simplified method for calculation of impact of electric thruster plume to orbital object. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. N 2/129, 55—66 (2016) [In Russian].
4. Khoroshylov S. V. Attitude control of space-based solar power station using extended state observer. Tehnicheskaja mehanika. N 3, 117—125 (2011) [In Russian].
5. Khoroshylov S. V. Synthesis of suboptimal compensators in form of extended state observer. Tehnicheskaja mehanika. N 2, 79—92 (2014) [In Russian].
6. Khoroshylov S. V. Relative Motion Control System of Spacecraft for Contactless Space Debris Removal. Sci. innov. Vol 14(4), 5—16 (2018).
7. Alpatov A., Cichocki F., Fokov A., Khoroshylov S., Merino M., Zakrzhevskii A. Algorithm for Determination of Force Transmitted by Plume of Ion Thruster to Orbital Object Using Photo Camera. 66th International Astronautical Congress (12—16 October 1015, Jerusalem) (2015).
8. Alpatov A., Cichocki F., Fokov A., Khoroshylov S., Merino M., Zakrzhevskii A. Determination of the force transmitted by an ion thruster plasma plume to an orbital object. Acta Astronautica. Vol. 119, 241—251 (2016).
9. Alpatov A. P., Fokov A. A., Khoroshylov S. V., Savchuk A. P. Error Analysis of Method for Calculation of Non-Contact Impact on Space Debris from Ion Thruster. Mechanics, Materials Science & Engineering Journal. July, 13 pages (2016).
10. Bombardelli C., Peláez J. Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 34, N 3, 916—920 (2011).
11. Bombardelli C., Urrutxua H., Merino M., Ahedo E., Peláez J. Relative Dynamics and Control of an Ion Beam Shepherd Satellite. Advances in the Astronautical Sci. Vol. 143 (2012).
12. Clark F., Spehar P., Brazzel J., Hinkel H. Laser based relative navigation and guidance for space shuttle proximity operations. Advances in the Astronautical Sciences. Vol. 113, 171—186 (2003).
13. Clohessy W., Wiltshire R. Terminal guidance system for satellite rendezvous . Journal of the Aerospace Sciences. Vol. 27, N 9, 653—658 (1960).
14. Corbett M. H., Edwards C. H. Thrust Control Algorithms for the GOCE Ion Propulsion Assembly. The 30th International Electric Propulsion Conference (17—20 September 2007. Italy, Florence) (2007).
15. Doyle J., Packard A., Zhou K. Review of LFTs, LMIs and μ. IEEE Conference on Decision and Control (December 1991, Brignton, England), (1991).
16. Doyle J. C., Stein G. Multivariable Feedback Design: Concepts for a Classical. Modern Synthesis. IEEE Transactions on Automatic Control. N 26(1), 4—16 (1981).
17. Kumara K. D., Bang H. C., Tahk M. J. Satellite formation flying using along-track thrust. Acta Astronautica. Vol. 61, N 7—8, 553—564 (2007).
18. Lawden D. F. Optimal Trajectories for Space Navigation, London: Butterworths, 1963. 126 p.
19. Leonard C. L., Hollister W. M., Bergmann E. V. Orbital formation keeping with differential drag. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 12 (1), 108—113 (1989).
20. Nesterov Y. The Projective Method for Solving Linear Matrix Inequalities. Math. Programming Ser. B. Vol. 77, 163—190 (1997).
21. Redding D. C., Adams N. J., Kubiak, E. T. Linear quadratic stationkeeping for the STS orbiter // Charles Stark Draper Laboratory, Cambridge, MA, Kept. CSDL-R-1879. (1986).
22. Rems F., Risse E. A., Benninghoff H. Rendezvous GNCsystem for autonomous orbital servicing of uncooperative targets. 10th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems (29 May — 2 June 2017, Salzburg, Austria) (2017).
23. Starin R. S., Yedavalli R. K., Sparks A. G. Spacecraft formation flying maneuvers using linear-quadratic regulation with no radial axis inputs. AIAA Paper. August, 2001—4029 (2001).
24. Vassar R. H., Sherwood R. B. Formationkeeping for a pair of satellites in a circular orbit. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 8, 235—242 (1985).
25. Zhao K., Stoustrup J. Computation of the maximal robust H2 performance radius for uncertain discrete time systems with nonlinear parametric uncertainties. Inter. J. Control. N 67(1), 33—43 (1997).
26. Zhou K., Doyle J. C., Glover K. Robust and Optimal Control, N. J., USA: Prentice-Hall, 1996. — 596 p.
27. Zhou K., Khargonekar P., Stoustrup J., Niemann H. Robust Performance of Systems with Structured Uncertainties in State Space. Automatica. N 31(2), 249— 255 (1995).