Применение алгоритма метода роя для обеспечения трехосной магнитной ориентации космического аппарата

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
09 декабря 2021, 14:53
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Охитина Анна Сергеевна
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Ролдугин Дмитрий Сергеевич
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Ткачев Степан Сергеевич
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Аннотация:
Рассмотрена задача обеспечения трехосной ориентации космического аппарата с помощью магнитных катушек. Однако в этом случае реализовать управляющий момент вдоль вектора геомагнитной индукции невозможно. Для решения этой проблемы в работе предложено с помощью биоинспирированного алгоритма оптимизации (метода роя) построить управляемую магнитной системой угловую траекторию, а также найти оптимальное управление, обеспечивающее асимптотическую устойчивость.
Ключевые слова:
магнитные катушки, метод роя частиц, ориентация, стабилизация
Основной текст труда

Использование малых космических аппаратов (КА) как в групповых полетах, так и в одиночных, в настоящее время позволяет решать широкий круг задач, при этом стоимость малых аппаратов значительно ниже, а конструкция проще, чем у больших. На малых КА часто используется магнитная система управления ориентацией, поскольку она имеет низкое энергопотребление, мала и проста в изготовлении. Однако, с помощью магнитных катушек невозможно реализовать компоненту необходимого управляющего момента, направленную вдоль вектора B геомагнитной индукции. Но так как направление вектора B меняется при движении спутника по орбите, то со временем становятся доступны все направления, таким образом, в целом система является управляемой [1].

В настоящей работе для обеспечения трехосной ориентации КА с помощью магнитной системы предлагается специальная процедура построения управляемой угловой траектории. Так как в орбитальной системе отсчета достаточно низкая точность ориентации, что связано с ограниченностью управляющего момента, то вместо точной орбитальной ориентации спутник может быть стабилизирован на траектории, определяемой относительно небольшими углами отклонения. Можно подобрать такую траекторию, на которой проекция управляющего момента на вектор геомагнитной индукции будет минимальна. Соответствующий этому требованию функционал имеет достаточно сложную структуру, что затрудняет использование классических градиентных методов оптимизации, поэтому предлагается использовать неградиентный биологически инспирированный метод оптимизации — метод роя частиц [2] — с помощью которого можно найти оптимальные значения параметров требуемой траектории, так как при таком подходе вид функционала может быть произвольным. Далее, для того чтобы обеспечить асимптотическую устойчивость, строится программное управление на основе функции Ляпунова [3]. Оптимальные коэффициенты управления подбираются также с помощью метода роя частиц, адаптированного для этой конкретной задачи. На этапе построения траектории и управления учитывается влияние гравитационного и аэродинамического моментов. Полученные таким способом траектория и управление могут быть реализованы при помощи только магнитной системы управления ориентацией. Для доказательства асимптотической устойчивости используется теория Флоке [4].

Результаты численного моделирования движения КА, проведенные с учетом неточности знания начальных данных КА, модели атмосферы и различных случайных внешних возмущений, свидетельствуют об эффективности построенного управляющего момента для найденной траектории даже при наличии внешних возмущений. Полученная точность ориентации составляет около 2–3о, что в несколько раз лучше, чем точность орбитальной стабилизации. Таким образом, с помощью метода роя удается построить управляемую траекторию, которую можно реализовать с помощью магнитной системы управления ориентацией с хорошей точностью.

Грант
Грант РНФ № 17-71-20117 П
Литература
  1. Bhat S.P. Controllability of nonlinear time-varying systems: applications to spacecraft attitude control using magnetic actuation // IEEE Trans. Autom. Contr. 2005. Vol. 50, no. 11. Pp. 1725–1735.
  2. Kennedy J., Eberhart R. Particle swarm optimization // Proc. Int. Conf. Neural Networks. IEEE. 1995. Vol. 4. Pp. 1942–1948.
  3. Ovchinnikov M.Y., Tkachev, S. S., Karpenko S.O. A study of angular motion of the Chibis-M microsatellite with three-axis flywheel control // Cosm. Res. 2012. Vol. 50, no. 6. Pp. 431–440.
  4. Malkin I.G. Some problems in the theory of nonlinear oscillations. Moscow: State Publishing House of Technical and Theoretical Literature, 1959. 589 p.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.