Алгоритм управления относительным движением в плоскости орбиты космического аппарата для бесконтактного удаления космического мусора

Хорошилов, СВ
Косм. наука технол. 2019, 25 ;(1):14-26
https://doi.org/10.15407/knit2019.01.014
Язык публикации: Русский
Аннотация: 
Статья посвящена совершенствованию технологии бесконтактного удаления космического мусора, получившей название «Пастух с ионным лучом». Синтезирован закон управления, позволяющий поддерживать требуемое положение космического аппарата-пастуха относительно объекта космического мусора в плоскости орбиты за счет изменения тяги только одного компенсирующего электрореактивного двигателя в небольшом диапазоне относительно ее номинального значения. Для синтеза использован метод смешанной чувствительности, который позволил обеспечить необходимый компромисс между робастной устойчивостью, качеством и затратами на управление с учетом особенностей воздействий, передаваемых ионным лучом, внешних возмущений, неточности определения относительного положения, а также неидеальности реактивного исполнительного органа. Требования к синтезируемому регулятору заданы в частотной области с помощью выбранных весовых функций.
        Результаты синтеза подтверждены как с помощью формального критерия, основанного на понятии структурированных сингулярных чисел, так и путем компьютерного моделирования с использованием нелинейной математической модели, учитывающей широкий спектр орбитальных возмущений, действующих на систему. Закон управления обеспечивает движение космического аппарата-пастуха на небольшом расстоянии перед объектом космического мусора и эффективную передачу ему тормозящего импульса ионным лучом в фазе увода. Показано существенное преимущество предложенной модели управления с точки зрения расхода рабочего тела в сравнении с традиционным подходом, основанном на использовании гидразиновых реактивных двигателей. Это преимущество является одним из ключевых факторов при выборе управления вследствие значительной продолжительность фазы увода космического мусора.
Ключевые слова: закон управления, затраты рабочего тела, компенсирующий двигатель, космический мусор, пастух с ионным лучом, робастность
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).