Optimal Control of the Reorientation of a Spacecraft in the Given Time with a Quadratic Performance Criterion Related to the Control and Phase Variables

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The problem of the dynamic optimal turn of a spacecraft (SC) from an arbitrary initial to the required final angular position is considered and solved. The time required for the turn is fixed. To optimize the rotation control program, a combined quality criterion is used, the minimized functional characterizes the energy costs and combines the costs of control forces and the rotation energy integral in the given proportion. The problem is solved analytically. The construction of the optimal turn control is based on quaternion models and the maximum principle of L.S. Pontryagin. The optimality conditions are written in analytical form, and the properties of the optimal motion are studied. Formalized equations and calculation expressions are given to determine the optimal turning program. The control law is formulated as an explicit dependence of the control variables on the phase coordinates. Analytical equations and relations are written out for finding the optimal motion of the SC. The key relationships are given that determine the optimal values of the parameters of the rotation control algorithm. A constructive scheme for solving the boundary value problem of the maximum principle for arbitrary turning conditions is also described. For an axisymmetric SC, a complete solution of the reorientation problem in a closed form is given. An example and results of the mathematical modeling of the SC’s motion dynamics under the optimal control are given, demonstrating the practical feasibility of the developed method for controlling the spatial orientation of an SC.

About the authors

M. V. Levskii

Maksimov Space Systems Research and Development Institute, Khrunichev State Space Research and Production Center, 141091, Korolev, Russia

Author for correspondence.
Email: levskii1966@mail.ru
Россия, Королев

References

  1. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 с.
  2. Левский М.В. Об одном методе решения задач оптимального управления пространственной ориентацией космического аппарата // Проблемы нелинейного анализа в инженерных системах. 2015. Т. 21. № 2 (44). С. 45–60.
  3. Levskii M.V. About Method for Solving the Optimal Control Problems of Spacecraft Spatial Orientation // Problems of Nonlinear Analysis in Engineering Systems. 2015. V. 21. № 2. P. 61–75.
  4. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974. 600 с. 320 с.
  5. Алексеев К.Б., Малявин А.А., Шадян А.В. Экстенсивное управление ориентацией космического аппарата на основе нечеткой логики // Полет. 2009. № 1. С. 47–53.
  6. Велищанский М.А., Крищенко А.П., Ткачев С.Б. Синтез алгоритмов переориентации космического аппарата на основе концепции обратной задачи динамики // Изв. РАН. ТиСУ. 2003. № 5. С. 156–163.
  7. Ваньков А.И. Адаптивное робастное управление угловым движением КА с использованием прогнозирующих моделей // Космич. исслед. 1994. Т. 32. Вып. 4–5. С. 13–21.
  8. Решмин С.А. Пороговая абсолютная величина релейного управления при наискорейшем приведении спутника в гравитационно-устойчивое положение // ДАН. 2018. Т. 480. № 6. С. 671–675.
  9. Junkins J.L., Turner J.D. Optimal Spacecraft Rotational Maneuvers. Elsevier. USA, 1986. 515 p.
  10. Молоденков A.В., Сапунков Я.Г. Новый класс аналитических решений в задаче оптимального разворота сферически-симметричного твердого тела // Изв. РАН. МТТ. 2012. № 2. С. 16–27.
  11. Молоденков А.В., Сапунков Я.Г. Решение задачи оптимального разворота осесимметричного космического аппарата с ограниченным и импульсным управлением при произвольных граничных условиях // Изв. РАН. ТиСУ. 2007. № 2. С. 152–165.
  12. Бранец В.Н., Черток М.Б., Казначеев Ю.В. Оптимальный разворот твердого тела с одной осью симметрии // Космич. исслед. 1984. Т. 22. Вып. 3. С. 352–360.
  13. Shen H., Tsiotras P. Time-optimal Control of Axi-symmetric Rigid Spacecraft with two Controls // AIAA J. Guidance, Control and Dynamics. 1999. V. 22. № 5. P. 682–694.
  14. Молоденков A.В., Сапунков Я.Г. Аналитическое решение задачи оптимального по быстродействию разворота осесимметричного космического аппарата в классе конических движений // Изв. РАН. ТиСУ. 2018. № 2. С. 131–147.
  15. Zhou H., Wang D., Wu B., Poh E.K. Time-optimal Reorientation for Rigid Satellite with Reaction Wheels // International Journal of Control. 2012. V. 85. № 10. P. 1–12.
  16. Левский М.В. Применение принципа максимума Л.С. Понтрягина к задачам оптимального управления ориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2008. № 6. С. 144–157.
  17. Решмин С.А. Пороговая абсолютная величина релейного управления при наискорейшем приведении спутника в желаемое угловое положение // Изв. РАН. ТиСУ. 2018. № 5. С. 30–41.
  18. Левский М.В. О повышении маневренности космического аппарата, управляемого инерционными исполнительными органами // Изв. РАН. ТиСУ. 2020. № 5. С. 115–130.
  19. Левский М.В. Синтез оптимального управления терминальной ориентацией космического аппарата с использованием метода кватернионов // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 2. С. 7–24.
  20. Левский М.В. Использование интеграла энергии в оптимальном управлении пространственной ориентацией космического аппарата // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 4. С. 10–23.
  21. Левский М.В. Об одном случае оптимального управления пространственной ориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2012. № 4. С. 115–130.
  22. Левский М.В. Кинематически оптимальное управление переориентацией космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2015. № 1. С. 119–136.
  23. Levskii M.V. Special Aspects in Attitude Control of a Spacecraft, Equipped with Inertial Actuators // Journal of Computer Science Applications and Information Technology. 2017. V. 2. № 4. P. 1–9.
  24. Зубов Н.Е., Ли М.В., Микрин Е.А., Рябченко В.Н. Терминальное построение орбитальной ориентации космического аппарата // Изв. РАН. ТиСУ. 2017. № 4. С. 154–173.
  25. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. M.: Наука, 1983. 392 с.
  26. Sanjeev Kumar, Vinay Kanwar, Sukhjit Singh. Modified Efficient Families of Two and Three-step Predictor-corrector Iterative Methods for Solving Nonlinear Equations // Journal of Applied Mathematics. 2010. V. 1. № 3. P. 153–158.
  27. Левский М.В. Способ управления разворотом космического аппарата и система для его реализации. Патент на изобретение РФ № 2114771 // Бюллетень “Изобретения. Заявки и патенты”. 1998, № 19. Опубликован 10.07.1998. С. 234–236.
  28. Левский М.В. Система управления пространственным разворотом космического аппарата. Патент на изобретение РФ № 2006431 // Бюллетень “Изобретения. Заявки и патенты”. 1994, № 2. Опубликован 20.01.1994. С. 49–50.
  29. Левский М.В. Устройство формирования параметров регулярной прецессии твердого тела. Патент на изобретение РФ № 2146638 // Бюллетень “Изобретения. Заявки и патенты”. 2000. № 8. Опубликован 20.03.2000. С. 148.
  30. Горшков О.А., Муравьев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.
  31. Кульков В.М., Обухов В.А., Егоров Ю.Г., Белик А.А., Крайнов А.М. Сравнительная оценка эффективности применения перспективных типов электроракетных двигателей в составе малых космических аппаратов // Вестн. Самарск. гос. аэрокосмического ун-та. 2012. № 3 (34). С. 187–195.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (40KB)
3.

Download (59KB)
4.

Download (54KB)
5.

Download (60KB)
6.

Download (64KB)
7.

Download (46KB)
8.

Download (40KB)


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies