Исследование алгоритмов управления движением космического аппарата при сближении с некооперирующим объектом космического мусора

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
13 декабря 2021, 14:59
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Иванов Данил Сергеевич
Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН
Ахлумади Махди реза
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Козин Филипп Александрович
Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН
Аннотация:
Рассмотрена задача управления движением космического аппарата для сближения с некооперирующим объектом космического мусора для последующего захвата. Предложены алгоритмы управления на основе метода SDRE (State Dependent Riccati Equation) и на основе искусственных потенциалов для относительного поступательного и углового движения космического аппарата и проведено аналитическое и численное исследование управляемого движения. Выполнено сравнение алгоритмов с точки зрения скорости сходимости и затрат характеристической скорости. Проанализированы их особенности при применении к задаче сближения для захвата объекта космического мусора.
Ключевые слова:
управление движением, космический мусор, аэродинамический стол, искусственные потенциалы
Основной текст труда

В работе рассматривается задача управления движением космического аппарата для сближения с некооперирующим объектом космического мусора для последующего захвата. Предполагается, что на борту космического аппарата установлены двигатели для управления движением центра масс, а также маховики для управления угловым движением. Относительное движение некооперирующего объекта космического мусора считается известным, оно может быть определено с помощью лазерного дальномера или с помощью других оптических датчиков [1]. Для обеспечения захвата требуется обеспечить такое относительное положение и относительную ориентацию, чтобы система захвата оказалась в некоторой окрестности относительно заданной точки на поверхности объекта космического мусора. В качестве системы захвата можно рассматривать роботизированный манипулятор или магнитный захват, с помощью этих систем предполагается возможным закрепиться на поверхности объекта космического мусора. При этом в алгоритме управления принимается во внимание ограничения на максимальную допустимую величину тяги двигателя и на максимальный кинетический и управляющий моменты маховиков. В общем случае объект космического мусора совершает произвольное угловое движение в соответствии с динамическими уравнениями Эйлера согласно заданным начальным условиям. Также предполагается, что захват объекта возможен только в одной точке на его поверхности.

Для решения поставленной задачи были разработаны новые и адаптированы существующие математические модели, описывающие динамику относительного движения космического аппарата относительно некооперирующего объекта на стадии подлета с учетом ограничений малых космических аппаратов по возможностям управления. Предложен алгоритм управления на основе метода SDRE (State Dependent Riccati Equation) для относительного поступательного и углового движения космического аппарата и проведено аналитическое и численное исследование управляемого движения космического аппарата на этапе сближения с некооперирующим объектом космического мусора [2, 3]. Также разработан алгоритм управления на основе метода виртуальных потенциалов для обеспечения безопасного сближения с объектом для последующего захвата [4]. Проводится аналитическое и численное исследование характеристик управляемого движения с использованием этого алгоритма. Численное исследование разработанных алгоритмов проводится с помощью масштабных численных расчетов согласно методу Монте-Карло. Упрощенные варианты алгоритмов верифицируются с использованием лабораторных экспериментов на стенде с аэродинамическим столом [5]. Макет космического аппарата оснащен имитаторами бортовых двигателей и магнитной системой захвата, он способен двигаться практически без трения в плоскости стола относительно макета объекта космического мусора. Алгоритмы реализованы на бортовом компьютере макета космического аппарата. Проводятся лабораторные исследования характеристик управляемого движения с использованием разработанных алгоритмов. Предложенные алгоритмы сравниваются с точки зрения скорости сходимости и затрат характеристической скорости, а также анализируются их особенности при применении к задаче сближения для захвата объекта космического мусора.

Грант
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, грант № 20-31-90072.
Литература
  1. Ivanov D., Ovchinnikov M., Sakovich M. Relative pose and inertia determination of unknown satellite using monocular vision // Int J Aerosp Eng. 2018. Vol. 2018. DOI: 10.1155/2018/9731512
  2. Akhloumadi M., Ivanov D. Influence of Satellite Motion Control System Parameters on Performance of Space Debris Capturing // Aerospace. 2020. Vol. 7, no. 11. P. 160.
  3. Akhloumadi M., Ivanov D. Satellite relative motion SDRE-based control for capturing a noncooperative tumbling object // Proceedings of 9th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, RAST 2019. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. Pp. 253–260.
  4. Akhloumadi M., Kozin F., Ivanov D. Laboratory Study of the Active Debris Removal Algorithms on Air-Bearing Test Bed // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. IOP Publishing, 2020. Vol. 984, no. 1. Art. no. 012026.
  5. Akhloumadi M., Kozin F., Ivanov D. Laboratory study of control algorithms for debris removal using cubesat // Adv Astronaut Sci. 2020. Vol. 173. Pp. 101–117.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.