Алгоритмы управления и определения движения космического аппарата с двумя нежесткими элементами
Автор: Д.С. Иванов, С.В. Меус, А.Б. Нуралиева, А.В. Овчинников, М.Ю. Овчинников, Д.С. Ролдугин, С.С. Ткачев, А.И. Шестоперов, С.А. Шестаков, Е.Н. Якимов
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 3, 2019 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены алгоритмы управления и определения состояния космического аппарата с двумя нежесткими элементами. Один элемент представляет собой антенну, жестко закрепленную на корпусе аппарата. Антенна является значительным возмущающим фактором в движении космического аппарата, имея размер, в несколько раз превышающий размер корпуса аппарата, и обладая низкими собственными частотами колебаний. Второй элемент – солнечная панель. Аппарат находится на геостационарной орбите. Солнечная панель закреплена с помощью одностепенного шарнира и вращается с постоянной скоростью, обеспечивая ориентацию на Солнце. Управление и определение движения космического аппарата производятся только с помощью датчиков и актюаторов, установленных на его корпусе. Предполагается, что декремент затухания собственных колебаний нежестких элементов является нулевым. В работе приводятся алгоритмы управления, позволяющие стабилизировать всю конструкцию и обеспечить требуемую ориентацию корпуса космического аппарата или, как минимум, не увеличить амплитуды собственных колебаний нежестких элементов в процессе ориентации корпуса. Рассматривается различное количество собственных мод колебаний. Угловое движение корпуса и колебательное движение нежестких элементов конструкции определяются с использованием динамической фильтрации в режиме реального времени.
Космический аппарат, управление движением, нежесткие элементы конструкции, конечно-элементная модель, собственные колебания
Короткий адрес: https://sciup.org/14114628
IDR: 14114628 | УДК: 531.381:629.78:629.783 | DOI: 10.26732/2618-7957-2019-3-132-139
Attitude control and determination algorithms for the spacecraft with two flexible appendages
The paper covers the attitude control and determination algorithms of the satellite equipped with two flexible appendages. One of the appendages is an antenna. It is connected to the satellite bus inelastically. The antenna itself is a major disturbance factor. Its dimensions by far exceed the dimensions of the bus, and the eigen frequencies of the antenna oscillations are low. The second appendage is a solar panel. The spacecraft moves on the geostationary orbit. The panel is connected via the one degree of freedom hinge. It rotates with the constant rate to provide continuous solar panel attitude towards the Sun. Attitude control and determination is achieved with the hardware installed on the satellite bus only. Moreover, the oscillations of the flexible elements have no natural damping. The control and determination algorithms are provided that stabilize the satellite bus and reduce the flexible appendages oscillations alongside. Special control algorithm is proposed that does not excite the oscillations and lowers the computational burden on the onboard computer. Different eigen forms are considered to represent the error in the appendages models.
Список литературы Алгоритмы управления и определения движения космического аппарата с двумя нежесткими элементами
- Баничук Н. В., Карпов И. И., Климов Д. М., Маркеев А. П., Соколов Б. Н., Шаранюк А. В. Механика больших космических конструкций. М. : Факториал, 1997. 302 с.
- Junkins J., Kim Y. Introduction to Dynamics and Control of Flexible Structures. Washington : AIAA Education Series, 1993. 452 p.
- Ivanov D., Koptev M., Ovchinnikov M., Tkachev S., Proshunin N., Shachkov M. Flexible microsatellite mock-up docking with non-cooperative target on planar air bearing test bed // Acta Astronaut, 2018, vol. 158, pp. 357–366.
- Gasbarri P., Monti. R., de Angelis C., Sabatini M. Effects of uncertainties and flexible dynamic contributions on the control of a spacecraft full-coupled model // Acta Astronaut, 2014, vol. 94, issue 1, pp. 515–526.
- da Fonseca I. M., Bainum P. M., da Silva A. R. Structural control interaction for an LSS attitude control system using thrusters and reaction wheels // Acta Astronaut, 2007, vol. 60, no. 10–11, pp. 865–872.
- Hughes P. C., Abdel-Rahman T. M. Stability of Proportional-Plus-Derivative-Plus-Integral Control of Flexible Spacecraft // J. Guid. Control. Dyn., 1979, vol. 2, no. 6, pp. 499–503.
- Wang S. J., Cameron J. M. Dynamics and control of a large space antenna // J. Guid. Control. Dyn., 1984, vol. 7, no. 1, pp. 69–76.
- Hu Q. Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation // Acta Astronaut, 2009, vol. 64, no. 11–12, pp. 1085–1108.
- Сомов Е. Робастная стабилизация упругих космических аппратов при неполном дискретном измерении и запаздывании в управлении // Известия РАН. Теория и системы управления. 2001. № 2. С. 124–143.
- Gasbarria P., Montia R., Campolo G., Toglia Ch. Control-oriented modelization of a satellite with large flexible appendages and use of worst-case analysis to verify robustness to model uncertainties of attitude control // Acta Astronaut, 2012, vol. 81, no. 1, pp. 214–226.
- Wang W., Menon P., Bates D., Bennani S. Verification and Validation of Attitude and Orbit Control Systems for Flexible Satellites // AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, 2009.
- Wang S. J., Lin Y. H., Ih C.-H. C. Dynamics and control of a Shuttle-attached antenna experiment // J. Guid. Control. Dyn., 1985, vol. 8, no. 3, pp. 344–353.
- Santini P., Gasbarri P. General background and approach to multibody dynamics for space applications // Acta Astronaut, 2009, vol. 64, no. 11–12, pp. 1224–1251.
- Meirovitch L., Quinn R. D. Equations of Motion for Maneuvering Flexible Spacecraft // J. Guid. Control, 1987, vol. 10, no. 5, pp. 453–465.
- Ovchinnikov M. Yu., Tkachev S. S., Roldugin D. S., Nuralieva A. B., Mashtakov Y. V. Angular motion equations for a satellite with hinged flexible solar panel // Acta Astronaut, 2016, vol. 128, pp. 534–539.
- Sesak J. R., Coradetti T. Decentralized Control of Large Space Structures via Forced Singular Perturbation // AIAA 17th Aerospace Sciences Meeting, New Orleans, 1979.
- Sesak J. R. Control of Large Space Structures via Singular Perturbation Optimal Control // AIAA Conf. on Space Platforms: Future Needs and Capabilities, Los Angeles, 1978.
- Ivanov D. S., Ovchinnikov M. Yu, Ivlev N. A., Karpenko S. O. Analytical study of microsatellite attitude determination algorithms // Acta Astronaut, 2015, vol. 116, pp. 339–348.
- Иванов Д. С., Меус С. В., Овчинников А. В., Овчинников М. Ю., Шестаков С. А., Якимов Е. Н. Методы определения колебательных параметров космических аппаратов с гибкими элементами конструкции // Известия РАН. Теория и системы управления. 2017. № 1. С. 98–115.
