EA043355B1 - COMPREHENSIVE SERVICE IN ORBIT - Google Patents

COMPREHENSIVE SERVICE IN ORBIT Download PDF

Info

Publication number
EA043355B1
EA043355B1 EA202291198 EA043355B1 EA 043355 B1 EA043355 B1 EA 043355B1 EA 202291198 EA202291198 EA 202291198 EA 043355 B1 EA043355 B1 EA 043355B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
attitude control
spacecraft
space
thrusters
control
Prior art date
Application number
EA202291198
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Джорджо Фасано
Энрико Гайя
Стефано ФЕРРОНИ
Марио ПЕССАНА
Original Assignee
Таль Аления Спейс Италия С.П.А. Кон Унико Сочио
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Таль Аления Спейс Италия С.П.А. Кон Унико Сочио filed Critical Таль Аления Спейс Италия С.П.А. Кон Унико Сочио
Publication of EA043355B1 publication Critical patent/EA043355B1/en

Links

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится, в целом, к комплексному обслуживанию на орбите, а в частности, к орбитальным обслуживающим космическим аппаратам для инспектирования на орбите и/или технического обслуживания космических аппаратов и для буксировки космических транспортных средств или других космических объектов.The invention relates generally to integrated on-orbit servicing, and in particular to orbital servicing spacecraft for on-orbit inspection and/or maintenance of spacecraft and for towing space vehicles or other space objects.

Уровень техникиState of the art

Как известно, в космическом пространстве, услуги комплексного обслуживания на орбите полностью изменяют транспортировку в космосе и способ, которым космическое пространство используется.As we know in outer space, on-orbit end-to-end services are completely changing space transportation and the way outer space is used.

Вообще говоря, услуги комплексного обслуживания на орбите могут быть классифицированы на две широкие категории: услуги инспектирования и/или технического обслуживания космического аппарата и услуги буксировки для буксировки космических транспортных средств или космических объектов другой природы, например космического мусора.Generally speaking, on-orbit end-to-end services can be classified into two broad categories: spacecraft inspection and/or maintenance services and towing services for towing space vehicles or other space objects, such as space debris.

Услуги инспектирования и/или технического обслуживания космического аппарата могут, в свою очередь, подразделяться на услуги инспектирования космического аппарата, услуги продления срока службы космического аппарата, включающие в себя дозаправку топливом, услуги передислокации космического аппарата; и услуги модернизации космического аппарата для адаптации миссий космического аппарата на протяжении всего срока его службы.Spacecraft inspection and/or maintenance services can, in turn, be divided into spacecraft inspection services, spacecraft service life extension services, including refueling, spacecraft relocation services; and spacecraft modernization services to adapt spacecraft missions throughout its service life.

Услуги буксировки космического аппарата могут, в свою очередь, подразделяться на услуги буксировки космического аппарата на геостационарных орбитах, включающие в себя доставку космического аппарата, и услуги буксировки космического аппарата на низких околоземных орбитах (LEO), включающие в себя развертывание группировки спутников. Они предоставляются, например, спутникам, которые, вследствие ошибок запуска не смогли достичь своих рабочих орбит.Spacecraft towing services can, in turn, be subdivided into geostationary orbital towing services, which include the delivery of a spacecraft, and low-Earth orbit (LEO) towing services, which include the deployment of a constellation of satellites. They are provided, for example, to satellites that, due to launch errors, were unable to reach their operational orbits.

Услуги буксировки или скорее услуги удаления космических объектов, с другой стороны, по существу, состоят из услуги очистки, нацеленной на активное удаление космического мусора.Towing services, or rather space object removal services, on the other hand, essentially consist of a cleaning service aimed at actively removing space debris.

Услуги орбитального обслуживания предоставляются посредством орбитальных обслуживающих космических аппаратов, которые различаются на космические аппараты для инспектирования и/или технического обслуживания, когда они предназначаются, чтобы предоставлять услуги инспектирования и/или технического обслуживания космическим аппаратам, и на космические буксиры, когда они предназначаются, чтобы предоставлять услуги буксировки космического транспортного средства/объекта.In-orbit servicing services are provided by orbital servicing spacecraft, which are distinguished between inspection and/or maintenance spacecraft, when they are intended to provide inspection and/or maintenance services to space vehicles, and space tugs, when they are intended to provide space vehicle/object towing services.

Услуга буксировки космического объекта может также предоставляться космическим объектам, которым не способны к сотрудничеству в обеспечении услуги, а услуги инспектирования и/или технического обслуживания космического аппарата и услуги буксировки космического аппарата предоставляются космическим аппаратам, которые либо могут, либо не могут сотрудничать во время предоставления услуги.The space object towing service may also be provided to space objects that are unable to cooperate in providing the service, and spacecraft inspection and/or maintenance services and spacecraft towing services are provided to space vehicles that are either able or unable to cooperate in providing the service. .

Когда они используются для предоставления услуг буксировки космического аппарата, буксиры космических аппаратов могут быть присоединены к космическим аппаратам, которые должны быть отбуксированы, перед запуском, непосредственно к ракете-носителю, с тем, чтобы запускаться вместе с космическими аппаратами, которые должны быть отбуксированы, или они могут быть запущены отдельно от космических аппаратов, которые должны быть отбуксированы, на так называемую орбиту сближения (LEO или NRHO - близкую к прямолинейной гало-орбиту) в ожидании космических аппаратов, которые должны быть отбуксированы, которые запускаются на орбиту сближения после космических буксиров.When used to provide spacecraft towing services, the spacecraft tugs may be attached to the spacecraft to be towed, prior to launch, directly to the launch vehicle so as to be launched together with the spacecraft to be towed, or they can be launched separately from the spacecraft to be towed into a so-called rendezvous orbit (LEO or NRHO - near rectilinear halo orbit) in anticipation of the spacecraft to be towed, which are launched into the rendezvous orbit after the space tugs.

Когда они используются для буксировки отдельно запущенных космических аппаратов, буксиры космических аппаратов управляются таким образом, чтобы автономно приближаться и стыковаться к космическим аппаратам посредством соответствующих систем стыковки, обычно в форме роботизированных рук, и возможно продвигать пристыкованные космические аппараты до тех пор, пока они не достигнут желаемой орбиты, где космические аппараты могут работать, или техническое обслуживание/дозаправка, ремонт или другие операции могут быть выполнены.When used to tow separately launched spacecraft, the spacecraft tugs are controlled to autonomously approach and dock with the spacecraft through appropriate docking systems, usually in the form of robotic arms, and are able to propel the docked spacecraft until they reach the desired orbit where spacecraft can operate, or maintenance/refueling, repairs or other operations can be performed.

Когда они используются для буксировки космических объектов, космические буксиры управляются таким образом, чтобы автономно приближаться и захватывать космические объекты посредством соответствующих систем захвата, таких как сети, гарпуны или другие системы, и снижать или повышать орбиту захваченных космических объектов, просто изменяя их орбиту для того, чтобы приводить их туда, где они больше не могут предоставлять риск для работающих спутников.When used to tow space objects, space tugs are controlled to autonomously approach and capture space objects through appropriate capture systems such as nets, harpoons or other systems, and lower or raise the orbit of captured space objects simply by changing their orbit to to bring them to where they can no longer pose a risk to operating satellites.

US 2018/148197 A1 раскрывает обслуживающий спутник, имеющий основную часть, контроллер и блок стыковки. Блок стыковки содержит по меньшей мере два складных и регулируемых захватных рычага, поворотно установленных на основной части спутника. Каждый захватный рычаг является поворачиваемым относительно основной части спутника и содержит захватывающий конец на каждом свободном конце захватных рычагов. Захватывающие концы приспосабливаются и конфигурируются, чтобы захватывать и удерживать целевой фрагмент спутника, движущегося по орбите. Каждый захватный рычаг является независимо управляемым посредством контроллера, который координирует движение захватных рычагов. Обслуживающий спутник дополнительно содержит силовую установку, содержащую первый двигатель малой тяги, установленный рядом с концом в точке надира основной части обслужи- 1 043355 вающего спутника, и уравновешивающий двигатель малой тяги, разнесенный с интервалом от первого двигателя малой тяги и обращенный в другом направлении по сравнению с первым двигателем малой тяги, ракетное топливо для двигателя малой тяги и уравновешивающего двигателя малой тяги. Обслуживающий спутник дополнительно содержит средство для выравнивания двигателей малой тяги таким образом, что вектор создания тяги проходит через точку соединения центра тяжести обслуживающего спутника и обслуживаемого спутника.US 2018/148197 A1 discloses a service satellite having a main body, a controller and a docking unit. The docking unit contains at least two folding and adjustable gripping arms that are pivotally mounted on the main body of the satellite. Each gripping arm is rotatable relative to the main body of the satellite and includes a gripping end at each free end of the gripping arms. The gripping ends are adapted and configured to capture and hold a target fragment of an orbiting satellite. Each gripping arm is independently controlled by a controller that coordinates the movement of the gripping arms. The servicing satellite further comprises a propulsion system comprising a first thruster mounted near an end at the nadir point of the main body of the servicing satellite, and a counterbalance thruster spaced apart from the first thruster and facing in a different direction from with the first thruster, propellant for the thruster and counter thruster. The servicing satellite further comprises means for aligning the thrusters such that the thrust generation vector passes through the point of connection between the center of gravity of the servicing satellite and the satellite being serviced.

US 6 017 000 A раскрывает устройство и способы для выполнения операций рядом со спутником, таких как осмотр, восстановление и продление срока службы целевого спутника посредством работы космического аппарата для инспектирования, ремонта и продления срока службы спутника (SIRE), который может работать в управляемом дистанционно, автоматическом и автономном режимах. Концепция SIRE дополнительно состоит из таких способов и технических приемов, которые используются для выполнения некоторых операций на орбите, включающих в себя, но не только, инспектирование, сервисное обслуживание, ремонт и продление срока службы спутников, космических аппаратов, космических систем, космических платформ и других транспортных средств и объектов в космосе, совокупно называемых целевыми спутниками. Три основных типа SIRE-миссий в пространственной близости определяются как Продление срока службы, Ремонт и Сервисное обслуживание. Удаленная кабинная система предоставляется, чтобы позволять человеческое управление SIRE-космическим аппаратом во время операций в пространственной близости.US 6,017,000 A discloses apparatus and methods for performing near-satellite operations such as inspecting, repairing, and extending the life of a target satellite through the operation of a Satellite Inspection, Repair, and Life Extension (SIRE) spacecraft that can operate in a remotely controlled manner. , automatic and autonomous modes. The SIRE concept further consists of those methods and techniques that are used to perform certain on-orbit operations, including, but not limited to, inspection, maintenance, repair and life extension of satellites, spacecraft, space systems, space platforms and others vehicles and objects in space, collectively called target satellites. The three main types of SIRE missions in spatial proximity are defined as Service Life Extension, Repair and Maintenance. A remote cabin system is provided to allow human control of the SIRE spacecraft during close proximity operations.

Джеймс Джиллиан: Adaptive control for post-dock manoeuvres with an unknown semi-cooperative object, 2016 IEEE Aerospace Conference, IEEE, 5 марта 2016 (05.03.2016), страницы 1-10, исследует пространство для маневра, в котором адаптивный контроллер может поддерживать полномочие управления пространственным положением, когда космический аппарат соединяется с объектом с ограниченной информацией о физических параметрах, с целью составления схемы пути для подтверждения контроллером посредством проведения экспериментов будущих полетов в космос. Сравнение выполняется между базовой системой пропорционально-интегрально дифференциального (PID) управления пространственным положением и позицией и адаптивным PID-подходом. Соединенные инерция космического аппарата, масса и местоположение центра масс изменяются, чтобы оценивать ограничение, рабочую характеристику и ошибкоустойчивость этих контроллеров.James Gillian: Adaptive control for post-dock manoeuvres with an unknown semi-cooperative object, 2016 IEEE Aerospace Conference, IEEE, March 5, 2016 (03/05/2016), pages 1-10, explores the maneuver space in which an adaptive controller can support the authority to control attitude when a spacecraft connects with an object with limited physical parameter information, for the purpose of generating a path map for confirmation by the controller through future spaceflight experiments. A comparison is made between a basic proportional-integral-derivative (PID) attitude and position control system and an adaptive PID approach. The coupled spacecraft inertia, mass, and center of mass location are varied to evaluate the constraint, performance, and robustness of these controllers.

US 9 115 662 B1 раскрывает способы и оборудование для управления множеством двигателей малой тяги в платформе, содержащие приведение в действие множества двигателей малой тяги в платформе с помощью системы управления двигателями малой тяги, оценку реакции аппарата, получающуюся в результате работы множества двигателей малой тяги, чтобы формировать расчетную реакцию аппарата, и сравнение расчетной реакции аппарата с желаемой реакцией аппарата, чтобы выяснять объективные функциональные ошибки.US 9,115,662 B1 discloses methods and equipment for controlling a plurality of thrusters in a platform, comprising driving a plurality of thrusters in a platform using a thruster control system, estimating the vehicle response resulting from the operation of the plurality of thrusters, so as to formulate the calculated response of the device, and compare the calculated response of the device with the desired response of the device in order to clarify objective functional errors.

CN 110 110 342 A раскрывает комбинированный способ управления движением данных космического корабля на основе алгоритма приближения. Способ содержит следующие этапы: создание комбинированной модели движения космического аппарата; проектирование контроллера данных для управления пространственным положением на основе алгоритма приближения; инициализацию параметров контроллера и создание базы данных; вычисление прогнозируемого значения системы с помощью формулы и вычисление прогнозируемого выходного значения системы с помощью формулы; контроллер вычислений; обновление данных в базе данных; и выполнение итерации для того, чтобы регулировать выходное значение контроллера.CN 110 110 342 A discloses a combined method for controlling the movement of spacecraft data based on a proximity algorithm. The method contains the following steps: creating a combined model of the spacecraft motion; design of a data controller for spatial position control based on a proximity algorithm; initializing controller parameters and creating a database; calculating the predicted value of the system using a formula and calculating the predicted output value of the system using the formula; calculation controller; updating data in the database; and performing an iteration to adjust the output value of the controller.

CN 109 625 333 A раскрывает способ захвата несотрудничающей цели в космосе на основе глубокого обучения с улучшением. Способ содержит два этапа. Взаимодействие может осуществляться посредством способа. Способ содержит этапы, на которых, первое, трехмерное визуализированное окружение для обслуживающего космического аппарата и целевого космического аппарата создается с помощью программного обеспечения трехмерной визуализации, входными данными для визуализированного окружения являются управляющее усилие и управляющий момент обслуживающего космического аппарата, а выходными данными являются состояния обслуживающего космического аппарата и целевого космического аппарата; второе, создается сверточная модель нейронной сети, и интеллектуальное обучение захвату автономной космической невзаимодействующей цели проводится на обслуживающем космическом аппарате в трехмерном визуализированном окружении. Состояния обслуживающего космического аппарата и целевого космического аппарата принимаются в качестве входных данных сверточной модели нейронной сети, весовые параметры сверточной модели нейронной сети используются для вывода управляющих усилий и моментов, необходимых для управления обслуживающим космическим аппаратом, управляющие усилия и моменты отправляются в визуализированное окружение, и состояния двух космических аппаратов вводятся в нейронную сеть непрерывно, чтобы выполнять постоянное глубокое обучение с улучшением.CN 109 625 333 A discloses a method for acquiring a non-cooperative target in space based on deep learning with enhancement. The method contains two stages. The interaction may be accomplished through a method. The method comprises steps in which, a first, three-dimensional visualized environment for the serving spacecraft and the target spacecraft is created using three-dimensional visualization software, the input data for the visualized environment is the control force and control torque of the serving spacecraft, and the output data are the states of the serving spacecraft apparatus and target spacecraft; second, a convolutional neural network model is created, and intelligent acquisition training of an autonomous space non-interacting target is carried out on the serving spacecraft in a three-dimensional visualized environment. The states of the servicing spacecraft and the target spacecraft are taken as input to the convolutional neural network model, the weight parameters of the convolutional neural network model are used to output the control forces and torques required to control the servicing spacecraft, the control forces and moments are sent to the visualized environment, and the states two spacecraft are fed into the neural network continuously to perform continuous deep learning with improvement.

Цель и сущность изобретенияPurpose and essence of the invention

Заявитель узнал по опыту, что одной из ключевых технологических задач, к которым обслуживающие космические аппараты должны обращаться в предоставлении услуг обслуживания клиентским космическим аппаратам, в частности спутникам, является оптимизация, т.е. уменьшение, расхода топлива,The Applicant has learned from experience that one of the key technology challenges that spacecraft servicing vehicles must address in providing servicing services to client spacecraft, particularly satellites, is optimization, i.e. reduction of fuel consumption,

- 2 043355 чтобы обеспечивать надлежащее пространственное положение, особенно, когда пристыковано к клиентским спутникам, ситуация, в которой центр масс совокупного спутника размещается в промежуточной позиции (как правило, неизвестной априори) между двумя космическими аппаратами.- 2 043355 to ensure proper attitude control, especially when docked with client satellites, a situation in which the center of mass of the aggregate satellite is placed at an intermediate position (usually unknown a priori) between the two spacecraft.

На основе своего лучшего знания Заявитель обнаружил, что технологии, и пользуемые в настоящее время или предложенные, чтобы устранять вышеупомянутую технологическую задачу, по существу, основываются на предоставлении двигателей малой тяги для управления пространственным положением, перемещаемых, посредством подходящих механизмов, в двух или более предварительно определенных дискретных позициях, обычно уложенной или свернутой позиции и развернутой позиции, в которых, согласно лучшему знанию Заявителя, развернутые позиции вычисляются на земле на основе оценки позиций, которые могут быть предположены по центру массы совокупного космического аппарата во всех возможных миссиях, прогнозируемых априори, которые обслуживающий космический аппарат и совокупный космический аппарат должны выполнять.Based on its best knowledge, the Applicant has discovered that technologies, either currently in use or proposed to overcome the above technological problem, are essentially based on the provision of thrusters for attitude control, moved, by means of suitable mechanisms, in two or more advances. certain discrete positions, usually the stowed or collapsed position and the deployed position, in which, to the best knowledge of the Applicant, the deployed positions are calculated on the ground based on an estimate of the positions that can be assumed from the center of mass of the aggregate spacecraft in all possible missions predicted a priori, which the servicing spacecraft and the aggregate spacecraft must perform.

В результате, Заявитель подтвердил, что вышеуказанные технологии, хоть и являются удовлетворительными во многих аспектах, имеют значительные диапазоны для улучшения как с точки зрения эффективности оптимизации расхода топлива обслуживающих космических аппаратов в течение всего их срока службы, особенно, когда трудно взаимодействовать с обслуживающим космическим аппаратом с земли вследствие его расстояния от Земли, так и с точки зрения числа и, следовательно, суммарной массы двигателей малой тяги для управления пространственным положением, необходимых для управления пространственным положением обслуживающего космического аппарата и совокупного космического аппарата на протяжении всего срока службы обслуживающего космического аппарата.As a result, the Applicant confirmed that the above technologies, while satisfactory in many aspects, have significant areas for improvement both in terms of efficiency in optimizing the fuel consumption of servicing spacecraft throughout their service life, especially when it is difficult to interact with the servicing spacecraft from the ground due to its distance from the Earth, and in terms of the number and therefore total mass of attitude control thrusters required to control the attitude of the servicing spacecraft and the aggregate spacecraft throughout the life of the servicing spacecraft.

Следовательно, настоящее изобретение имеет цель предоставления технологии, которая предоставляет возможность получения улучшений как с точки зрения эффективности оптимизации потребления топлива, так и с точки зрения числа двигателей малой тяги для управления пространственным положением, необходимых для управления пространственным положением обслуживающего космического аппарата и совокупного космического аппарата, также принимая во внимание необходимые резервирования.Therefore, the present invention has the object of providing technology that allows improvements to be made both in terms of efficiency in optimizing fuel consumption and in terms of the number of attitude control thrusters required for attitude control of the service spacecraft and the overall spacecraft, also taking into account the necessary reservations.

Согласно настоящему изобретению, орбитальный обслуживающий космический аппарат предоставляется как заявлено в прилагаемой формуле изобретения.According to the present invention, an orbital servicing spacecraft is provided as claimed in the appended claims.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Фиг. 1 показывает орбитальный обслуживающий космический аппарат, фиг. 2 показывает космическую систему, сформированную посредством орбитального обслуживающего космического аппарата на фиг. 1, пристыкованного к космическому аппарату, который должен быть обслужен или отбуксирован;Fig. 1 shows an orbital service spacecraft, FIG. 2 shows a space system formed by the orbital service spacecraft of FIG. 1, docked to a spacecraft that is to be serviced or towed;

фиг. 3 показывает систему позиционирования и ориентации двигателей малой тяги для управления пространственным положением орбитального обслуживающего космического аппарата на фиг. 1;fig. 3 shows a thruster positioning and orientation system for controlling the spatial position of the orbital service spacecraft in FIG. 1;

фиг. 4 показывает блок-схему электронной системы управления реагированием орбитального обслуживающего космического аппарата на фиг. 1; и фиг. 5 показывает блок-схему последовательности операций, выполняемых компьютером для управления пространственным положением электронной системы управления реагированием на фиг. 4.fig. 4 shows a block diagram of the electronic response control system for the orbital servicing spacecraft of FIG. 1; and figs. 5 shows a flowchart of operations performed by a computer to control the attitude of the electronic response control system of FIG. 4.

Подробное описание возможных вариантов осуществления изобретенияDetailed description of possible embodiments of the invention

Настоящее изобретение теперь будет описано подробно со ссылкой на присоединенные чертежи, чтобы предоставлять возможность специалисту в области техники создавать и использовать его. Различные модификации в описанных вариантах осуществления будут непосредственно очевидны специалистам в области техники, и общие описанные принципы могут быть применены к другим вариантам осуществления и применениям без отступления, тем самым, от рамок защиты настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не должно считаться ограниченным описанными и иллюстрированными вариантами осуществления, а должно соответствовать наиболее широким рамкам защиты, согласующимися с описанными и заявленными признаками.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings to enable one skilled in the art to make and use it. Various modifications to the described embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles described may be applied to other embodiments and applications without thereby departing from the scope of the present invention as defined in the appended claims. Therefore, the present invention should not be considered limited to the embodiments described and illustrated, but should be within the broadest possible scope of protection consistent with the features described and claimed.

Пока не определено иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют тот же смысл, который обычно используется обычными специалистами в области техники, относящейся к настоящему изобретению. В случае какого-либо конфликта, это описание, включающее в себя предоставленные определения, должно быть связующим. Кроме того, примеры предоставляются только для иллюстративных целей и, по существу, не должны рассматриваться как ограничивающие.Until otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly used by those skilled in the art pertaining to the present invention. In the event of any conflict, this description, including the definitions provided, shall be binding. Moreover, the examples are provided for illustrative purposes only and, as such, should not be construed as limiting.

В частности, блок-схемы, включенные в присоединенные чертежи и описанные ниже, не предназначаются в качестве представления структурных признаков, т.е. конструктивных ограничений, но они должны интерпретироваться как представление функциональных признаков, т.е. присущих свойств устройств, определенных полученными эффектами, которые являются функциональными ограничениями и которые могут быть реализованы различными способами, следовательно, для того, чтобы защищать их функциональность (возможность функционирования).In particular, the block diagrams included in the accompanying drawings and described below are not intended to represent structural features, i.e. design constraints, but they must be interpreted as representing functional attributes, i.e. inherent properties of devices, determined by the resulting effects, which are functional limitations and which can be implemented in various ways, therefore, in order to protect their functionality (ability to function).

Для того чтобы облегчать понимание вариантов осуществления, описанных в данном документе, будет выполнена ссылка на некоторые конкретные варианты осуществления, и особый язык будет использован для их описания. Терминология, используемая в данном документе, имеет цель описания только отдельных вариантов осуществления и не предназначается, чтобы ограничивать рамки настояще- 3 043355 го изобретения.To facilitate understanding of the embodiments described herein, reference will be made to certain specific embodiments and specific language will be used to describe them. The terminology used herein is for the purpose of describing selected embodiments only and is not intended to limit the scope of the present invention.

Кроме того, для удобства описания, последующее описание будет ссылаться, без потери, таким образом, общности, на миссию, в которой орбитальный обслуживающий космический аппарат в форме космического буксира должен пристыковаться к космическому аппарату в форме спутника (необязательно готового к сотрудничеству), таким образом, формируя жесткую космическую систему, состоящую из космического буксира и спутника, жестко сцепленных друг с другом.Additionally, for convenience of description, the following description will refer, without thereby losing generality, to a mission in which an orbital servicing spacecraft in the form of a space tug is to dock with a spacecraft in the form of a satellite (not necessarily a cooperative one), thus , forming a rigid space system consisting of a space tug and a satellite, rigidly coupled to each other.

Вообще говоря, идея, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в практическом предоставлении управления пространственным положением на основе искусственного интеллекта (AI), приспособленного для вывода, на основе информации, предоставляемой сенсорной системой космического буксира, лучшего решения относительно позиционирования, ориентации и работы двигателей малой тяги для управления пространственным положением космического буксира, когда он зацепляет спутник, или когда он все еще отделен от спутника.Generally speaking, the idea behind the present invention is the practical provision of artificial intelligence (AI)-based attitude control adapted to infer, based on information provided by the space tug's sensor system, the best decision regarding the positioning, orientation and operation of small spacecraft engines. thrust to control the attitude of the space tug when it is engaged with the satellite, or when it is still separated from the satellite.

Управление пространственным положением на основе искусственного интеллекта также предназначается, чтобы приспосабливаться к изменениям со временем, таким как, например, смещение позиции центра массы космической системы вследствие постепенного расхода топлива в космической системе.Artificial intelligence-based attitude control is also designed to adapt to changes over time, such as a shift in the position of the space system's center of mass due to the gradual consumption of fuel in the space system.

Таким образом, возможно, с одной стороны, уменьшать расход топлива и возможно, с другой стороны, уменьшать суммарное число (включающее в себя резервирования) необходимых двигателей малой тяги для управления пространственным положением, последовательно уменьшая вес системы управления пространственным положением, в то же время также предоставляя более значительную способностью поглощения какого-либо отказа двигателей малой тяги для управления пространственным положением и увеличивая гибкость маневрирования космической системы.Thus, it is possible, on the one hand, to reduce fuel consumption and, on the other hand, it is possible to reduce the total number (including redundancies) of the required thrusters for attitude control, consistently reducing the weight of the attitude control system, at the same time also providing greater capacity to absorb any failure of the attitude control thrusters and increasing the maneuverability of the space system.

Фиг. 1, 2 и 3 показывают космический буксир согласно настоящему изобретению, обозначенный в целом ссылочным номером 1.Fig. 1, 2 and 3 show a space tug according to the present invention, generally designated by reference numeral 1.

Космический буксир 1 содержит:Space Tug 1 contains:

основную часть, или конструкцию, или платформу 2; и бортовое оборудование, поддерживаемое основной частью 2 и содержащее, среди прочего:main body or structure or platform 2; and avionics supported by main part 2 and containing, among other things:

солнечные панели 3, чтобы питать электричеством бортовые электрические системы;solar panels 3 to supply electricity to on-board electrical systems;

электронно-управляемую систему 4 зацепления известного типа и, следовательно, не описанную подробно или иллюстрированную в качестве примера в форме кольца, на котором зацепляющие механизмы согласно предшествующему уровню техники (не иллюстрированы) закреплены, чтобы стыковаться/захватывать буксируемый спутник 5, таким образом, формируя космическую систему 6 с ним; и электронную систему управления реагированием (RCS) 7 (фиг. 4), чтобы инструктировать космическому буксиру 1 вращаться вокруг продольной, вертикальной и поперечной осей, чтобы регулировать пространственное положение и его смещение по заданным траекториям, чтобы инструктировать космическому аппарату 1 выполнять заданные маневры, такие как маневры сближения и стыковки между космическими аппаратами (с помощью регулирования смещения, чтобы регулировать скорость приближения к цели и выравнивание с точкой стыковки) и маневры изменения орбиты.an electronically controlled engagement system 4 of a known type and therefore not described in detail or illustrated by way of example in the form of a ring on which the engagement mechanisms according to the prior art (not illustrated) are secured to dock/grab the towed satellite 5, thereby forming space system 6 with him; and an electronic response control system (RCS) 7 (FIG. 4) to instruct the spacecraft 1 to rotate about the longitudinal, vertical and lateral axes to adjust the attitude and its displacement along predetermined trajectories to instruct the spacecraft 1 to perform predetermined maneuvers such as such as rendezvous and docking maneuvers between spacecraft (using offset control to adjust speed of approach to the target and alignment with the docking point) and orbital change maneuvers.

Как показано в блок-схеме на фиг. 4, электронная система 7 управления реагированием содержит:As shown in the block diagram in FIG. 4, the electronic response control system 7 contains:

сенсорную систему 8 известного типа и, следовательно, не описанную подробно, чтобы предоставлять возможность непосредственного обнаружения физических величин или их опосредованного вычисления на основе обнаруженных физических величин, таких как позиция, пространственное положение, угловые скорости, доступное топливо, геометрические признаки и состояние бортовой системы;a sensor system 8 of a known type and therefore not described in detail, to enable direct detection of physical quantities or their indirect calculation based on detected physical quantities, such as position, attitude, angular velocities, available fuel, geometric features and the state of the on-board system;

электронно-управляемые актуаторы/моторы в форме двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, установленных таким образом, чтобы предоставлять возможность регулирования их позиций и ориентаций; и компьютер 10 для управления пространственным положением на связи с сенсорной системой 8 и двигателями 9 малой тяги для управления пространственным положением, запрограммированный, чтобы принимать данные от сенсорной системы 8 и управлять, на основе принятых данных, позициями, ориентациями и рабочими состояниями двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением таким образом, чтобы управлять пространственным положением и позицией космического буксира 1.electronically controlled actuators/motors in the form of thrusters 9 for controlling spatial position, mounted in such a way as to allow adjustment of their positions and orientations; and an attitude control computer 10 in communication with the sensor system 8 and the attitude control thrusters 9, programmed to receive data from the sensor system 8 and control, based on the received data, the positions, orientations and operating states of the thrusters 9 for attitude control so as to control the attitude and position of the space tug 1.

Обращаясь снова к фиг. 1, 2 и 3, для того, чтобы предоставлять возможность регулирования их позиции и ориентации, двигатели 9 малой тяги для регулирования пространственного положения устанавливаются на основной части 2 космического буксира 1 посредством электронно-управляемой развертываемой системы 11 перемещения, предназначенной, чтобы предоставлять возможность регулирования позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением в ответ на электрические команды от компьютера 10 управления пространственным положением.Referring again to FIG. 1, 2 and 3, in order to enable adjustment of their position and orientation, attitude control thrusters 9 are mounted on the main body 2 of the space tug 1 by means of an electronically controlled deployable motion system 11 designed to enable position adjustment and orientation of the thrusters 9 for attitude control in response to electrical commands from the attitude control computer 10.

Как показано более подробно на фиг. 2 в качестве неограничивающего примера, система 11 перемещения содержит, для каждого индивидуального двигателя 9 малой тяги для управления пространственным положением, ориентация которого должна индивидуально регулироваться, или каждой группы двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, ориентация которой должна индивидуально регулироваться, далее в данном документе называемой RCS-кластером 9 ради краткости, электронно-управляемая конструкция 12 для ориентации, предназначенная, чтобы поддерживать RCS- 4 043355 кластер 9, чтобы предоставлять ему возможность вращаться по меньшей мере вокруг двух ортогональных осей A, B вращения в ответ на электрические команды от компьютера 10 для управления пространственным положением, с тем, чтобы предоставлять возможность регулирования ориентации RCSкластера 9 на космическом буксире 1 при желании.As shown in more detail in FIG. 2, by way of non-limiting example, the movement system 11 comprises, for each individual attitude control thruster 9 whose orientation is to be individually adjusted, or each group of attitude control thrusters 9 whose orientation is to be individually adjusted, hereinafter document referred to as the RCS cluster 9 for the sake of brevity, an electronically controlled orientation structure 12 designed to support the RCS cluster 9 to enable it to rotate about at least two orthogonal axes of rotation A, B in response to electrical commands from an attitude control computer 10 so as to enable the orientation of the RCS cluster 9 on the space tug 1 to be adjusted if desired.

Система 11 перемещения дополнительно содержит, для каждой индивидуальной конструкции 12 для ориентации, позиция которой желательно должна быть индивидуально регулируемой, или группы конструкций 12 для ориентации, позиция которой желательно должна быть коллективно регулируемой, электронно-управляемую конструкцию 13 для позиционирования, предназначенную, чтобы поддерживать конструкцию 12 для ориентации или группу конструкций 12 для ориентации, с тем, чтобы предоставлять им возможность смещаться в прямолинейном или криволинейном направлении смещения, с тем, чтобы предоставлять возможность регулирования их позиций на космическом буксире 1.The movement system 11 further comprises, for each individual orientation structure 12 whose position is desirably to be individually adjustable, or group of orientation structures 12 whose position is desirably to be collectively adjustable, an electronically controlled positioning structure 13 configured to support the structure 12 for orientation, or a group of structures 12 for orientation, so as to allow them to move in a rectilinear or curved displacement direction, so as to allow their positions on the space tug 1 to be adjusted.

Фиг. 1, 2 и 3 показывают в качестве примера позиционирующую конструкцию 13 типа направляющей шины, в которой конструкция 12 для ориентации закрепляется на ползунке, установленном с возможностью скольжения на прямолинейной направляющей, с тем, чтобы смещаться в прямолинейном направлении C в ответ на электрические команды от компьютера 10 для управления пространственным положением, таким образом, предоставляя возможность регулирования позиции RCS-кластера 9, выполняемого посредством конструкции 12 для ориентации.Fig. 1, 2 and 3 show as an example a guide bar type positioning structure 13 in which the orientation structure 12 is secured to a slider slidably mounted on a straight guide so as to move in the straight direction C in response to electrical commands from a computer. 10 for attitude control, thereby allowing the position of the RCS cluster 9 to be adjusted by the orientation structure 12.

Наконец, система 11 перемещения дополнительно содержит, для каждой позиционирующей конструкции 13, электронно-управляемую конструкцию 14 развертывания, которая соединяет позиционирующую конструкцию 13 с основной частью 2 космического буксира 1 и предназначается, чтобы принимать, в ответ на электрические команды от компьютера 10 для управления пространственным положением, свернутую конфигурацию, в которой позиционирующая конструкция 13 удерживается рядом с основной частью 2, и развернутую конфигурацию относительно основной части 2, в которой позиционирующая конструкция 13 перемещается на расстояние от основной части 2 и приводится в позицию рядом со спутником 5.Finally, the movement system 11 further comprises, for each positioning structure 13, an electronically controlled deployment structure 14 that connects the positioning structure 13 to the main body 2 of the space tug 1 and is designed to receive, in response to electrical commands from the computer 10, for spatial control. position, a collapsed configuration in which the positioning structure 13 is held adjacent to the main body 2, and an expanded configuration relative to the main body 2 in which the positioning structure 13 is moved away from the main body 2 and brought into position adjacent to the satellite 5.

Фиг. 1, 2 и 3 показывают в качестве примера конструкцию 14 для развертывания, имеющую тип с рычагами, шарнирно соединенными между основной частью 2 и прямолинейной направляющей позиционирующей конструкции 13.Fig. 1, 2 and 3 show as an example the deployment structure 14 having a type with arms pivotally connected between the main body 2 and the straight guide of the positioning structure 13.

В показанном примере на фиг. 1, 2 и 3 система 11 перемещения формируется посредством двух подсистем перемещения с идентичными архитектурами, и каждая сформирована посредством конструкции 12 для ориентации, несущей RCS-кластер 9 с двумя двигателями 9 малой тяги для управления пространственным положением, позиционирующей конструкции 13, несущей единственную конструкцию 12 для ориентации, и конструкции 14 для развертывания между позиционирующей конструкцией 13 и основной частью 2 космического буксира 1.In the example shown in FIG. 1, 2 and 3, the motion system 11 is formed by two motion subsystems with identical architectures, each formed by an orientation structure 12 carrying an RCS cluster 9 with two attitude control thrusters 9, a positioning structure 13 supporting a single structure 12 for orientation, and a structure 14 for deployment between the positioning structure 13 and the main body 2 of the space tug 1.

Две подсистемы перемещения симметрично радиально размещаются на основной части 2 таким образом, чтобы поддерживать нейтральный режим работы относительно центра массы космической системы и предоставлять возможность полностью управлять позицией и направлением двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением для того, чтобы максимизировать эффективность результирующей тяги.The two motion subsystems are symmetrically radially positioned on the main body 2 so as to maintain a neutral operating mode relative to the center of mass of the space system and to provide full control of the position and direction of the thrusters 9 for attitude control in order to maximize the efficiency of the resulting thrust.

Фиг. 5 показывает блок-схему последовательности операций, реализованных посредством компьютера 8 для управления пространственным положением, чтобы управлять позицией, ориентацией и рабочим состоянием двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, чтобы регулировать и поддерживать пространственное положение космического буксира 1 и изменять его орбиту.Fig. 5 shows a flowchart of operations implemented by the attitude control computer 8 to control the position, orientation and operating state of the attitude control thrusters 9 to adjust and maintain the attitude of the space tug 1 and change its orbit.

С этой целью, миссия космического буксира 1, которая известна априори, является концептуально разделяемой на рабочие этапы, содержащие предварительный этап стыковки со спутником 5, который должен быть отбуксирован, за которым следует один или более рабочих этапов для достижения цели миссии, например, техническое обслуживание предварительно назначенного наведения спутника 5, возможно с вставленными, в зависимости от конкретной миссии, этапами переноса орбиты и стабилизации пространственного положения.To this end, the mission of space tug 1, which is known a priori, is conceptually divisible into operational phases comprising a preliminary step of docking with satellite 5 to be towed, followed by one or more operational phases to achieve the mission objective, such as maintenance pre-assigned guidance of satellite 5, possibly with inserted, depending on the specific mission, stages of orbit transfer and attitude stabilization.

Компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы выполнять миссию, предназначенную для космического буксира 1, и оптимизировать средне-долгосрочные рабочие этапы, предполагающие, что этапы переноса орбиты оптимизируются на основе критериев, установленных априори, в зависимости от конкретной миссии, или во время миссии, например, с помощью одной или различных специализированных нейронных сетей, надлежащим образом обученных на земле.The attitude control computer 10 is programmed to carry out the mission intended for space tug 1 and to optimize mid- to long-term operational steps, assuming that the orbit transfer steps are optimized based on criteria established a priori, depending on the specific mission, or during the mission , for example, using one or different specialized neural networks suitably trained on the ground.

Поскольку расширение до более сложных сценариев является непосредственным, ради краткости описание ниже основывается на предположении, что миссия космического буксира 1 состоит исключительно из предварительного этапа стыковки/захвата спутника 5 и единственного рабочего этапа, последующего за предварительным этапом. Также предполагается, что, как только космический буксир 1 пристыковался или захватил спутник 5, космическая система 6, которая формируется таким образом, ведет себя аналогично жесткому телу, таким образом, предоставляя возможность рассматривать систему координат, известную априори, составляющую одно целое с космической системой 6, для управления космической системой 6.Since expansion to more complex scenarios is straightforward, for the sake of brevity the description below is based on the assumption that the Space Tug 1 mission consists solely of the preliminary docking/capture phase of Satellite 5 and a single operational phase subsequent to the preliminary phase. It is also assumed that once the space tug 1 has docked or captured the satellite 5, the space system 6 that is thus formed behaves in a manner similar to a rigid body, thus allowing a coordinate system known a priori to be considered integral to the space system 6 , to control the space system 6.

- 5 043355- 5 043355

Рабочий этап содержит, на первом месте, стабилизацию пространственного положения космической системы 6 в соответствии с требованиями миссии, например, наведением, и с выбранным критерием оптимизации, например, минимизацией расхода топлива, погрешностями наведения и т.д. Для удобства описания далее в данном документе акроним FS будет использоваться, чтобы ссылаться на подэтап стабилизации пространственного положения, а акроним FR будет использоваться, чтобы ссылаться на подэтап устойчивой работы, который начинается, когда подэтап стабилизации пространственного положения заканчивается, т.е., когда стабилизация космической системы 6 была достигнута, и которая поддерживается посредством компьютера 10 для управления пространственным положением на всем протяжении подэтапа FR посредством выполнения этапов управления пространственным положением известного типа и, следовательно, не описанных подробно.The operating stage comprises, firstly, stabilizing the spatial position of the space system 6 in accordance with mission requirements, for example, guidance, and with a selected optimization criterion, for example, minimizing fuel consumption, guidance errors, etc. For convenience of description, hereinafter the acronym FS will be used to refer to the attitude stabilization sub-step, and the acronym FR will be used to refer to the steady operation sub-step, which begins when the attitude stabilization sub-step ends, i.e., when stabilization space system 6 has been achieved and which is supported by the computer 10 for attitude control throughout the FR sub-step by performing attitude control steps of a known type and therefore not described in detail.

Согласно аспекту настоящего изобретения, реализация подэтапа FS управляется посредством компьютера 10 для управления пространственным положением на основе нейронной сети, ранее обученной на земле. С этой целью возможно применять уже доступную технологию, например, которая описана в CN 109625333 A, которая касается стабилизации космической системы 6, однако, без рассмотрения дополнительных целей, таких как минимизация расхода топлива. На подэтапе FS двигатели 9 малой тяги для управления пространственным положением позиционируются и ориентируются согласно конфигурации по умолчанию, установленной априори.According to an aspect of the present invention, the implementation of the FS sub-step is controlled by the attitude control computer 10 based on a neural network previously trained on the ground. For this purpose, it is possible to use already available technology, for example that described in CN 109625333 A, which concerns the stabilization of a space system 6, however, without considering additional objectives such as minimizing fuel consumption. In sub-stage FS, the attitude control thrusters 9 are positioned and oriented according to a default configuration set a priori.

В рассматриваемом сценарии использование нейронной сети может быть особенно полезным, в качестве альтернативы традиционным способам управления, поскольку и центр массы космической системы 6, и относительные моменты инерции не известны априори.In the scenario under consideration, the use of a neural network can be especially useful as an alternative to traditional control methods, since both the center of mass of the space system 6 and the relative moments of inertia are not known a priori.

Во время подэтапа FS нейронная сеть предназначается, чтобы эффективно решать стандартную задачу управления, которая может быть описана математически следующим образом:During the FS sub-stage, the neural network is designed to efficiently solve a standard control problem, which can be described mathematically as follows:

min\ ф[/0,х(/0),/,,*(/,)]+ [£[х(/),«(/),/]Л [min\ f[/ 0 ,х(/ 0 ),/,,*(/,)]+ [£[x(/),«(/),/]Л [

L J (i) x(t) = f(x(t), (2) #(*(/), «(/),/)<0 φ^,χαρ,ί^χα^/ο (4) где выражение (1) является целью оптимизации, например минимизацией расхода топлива, погрешностями наведения и т.д.; векторное уравнение (2) является представлением динамического состояния ХО рассматриваемой космической системы 6 (позиции и угловой скорости относительно назначенных систем координат), в каждый момент времени 1, как функция его производной по времени ^(0 (угловая скорость и ускорение космической системы 6), также как вектор управления , сформированный силами и крутящими моментами, оказываемыми в целом на космическую систему 6, в любой момент времени 1.LJ (i) x(t) = f(x(t), (2) #(*(/), «(/),/)<0 φ^,χαρ,ί^χα^/ο (4) where expression (1) is the goal of optimization, for example, minimizing fuel consumption, pointing errors, etc.; vector equation (2) is a representation of the dynamic state of the X O of the considered space system 6 (position and angular velocity relative to the assigned coordinate systems), at each moment time 1 as a function of its time derivative ^(0 (angular velocity and acceleration of the space system 6), as well as the control vector formed by the forces and torques exerted as a whole on the space system 6 at any time 1 .

Выражения (3) и (4) соответственно определяют ограничения на переменные состояния/управления, также как на первоначальное и конечное состояния (при необходимости) космической системы 6, во времена и /Expressions (3) and (4) respectively define restrictions on the state/control variables, as well as on the initial and final states (if necessary) of the space system 6, at times and /

Решение задачи, определенной уравнениями (1)-(4), выведенное нейронной сетью, оптимизируется относительно предназначенной (по умолчанию) конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением. Однако, поскольку, согласно настоящему изобретению, конфигурация двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением является регулируемой, параметры космической системы 6, а именно позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, в свою очередь, рассматриваются с точки зрения дополнительных (хоть и не зависимых от времени) переменных управления. Таким образом, диапазон решений расширяется, приводя к появлению новой задачи оптимизации, которая следует ниже:The solution to the problem defined by equations (1)-(4), derived by the neural network, is optimized relative to the intended (default) configuration of thrusters 9 for attitude control. However, since, according to the present invention, the configuration of the attitude control thrusters 9 is adjustable, the parameters of the space system 6, namely the position and orientation of the attitude control thrusters 9, in turn, are considered from the point of view of additional (although and time-independent) control variables. Thus, the range of solutions expands, leading to a new optimization problem, which follows:

min J ф[/0,х(/0),/,,л:(/,)] + fz[x(/), u(t),P,y,t\dt\ L J (5) x(f) = f(x(f),u(f),P,y,t) (6) g(x(f),u(f),P,y,f)<0 (7) <p[to,x(to),tf,x(tf)/o (8) min J f[/ 0 ,x(/ 0 ),/,,l:(/,)] + fz[x(/), u(t),P,y,t\dt\ LJ (5) x( f) = f(x(f),u(f),P,y,t) (6) g(x(f),u(f),P,y,f)<0 (7) <p[ t o ,x(t o ),t f ,x(t f )/o (8)

- 6 043355 где векторы Р и 7 (неявно подразумеваемые в формулах (1)-(4)) представляют, соответственно, позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением (больше не рассматриваемые константы, а структурные параметры космической системы 6, которые могут быть определены в контексте соответствующих областей, выраженных условиями (7)). Задача оптимизации, определенная посредством (1)-(4), будет указываться далее в данном документе как сокращенная задача оптимизации (PR), в то время как задача оптимизации, определенная посредством (5)-(8), как расширенная задача оптимизации (PE).- 6 043355 where vectors P and 7 (implicitly implied in formulas (1)-(4)) represent, respectively, the positions and orientations of the thrusters 9 for attitude control (no longer considered constants, but structural parameters of the space system 6, which can be defined in the context of the relevant areas expressed by the conditions (7)). The optimization problem defined by (1)-(4) will be referred to hereinafter as a reduced optimization problem (PR), while the optimization problem defined by (5)-(8) will be referred to as an extended optimization problem (PE ).

Оптимальные решения расширенной задачи PE оптимизации, в общем, независимо от конкретной выбранной целевой функции, являются более лучшими по сравнению с оптимальными решениями сокращенной задачи PR оптимизации. В формулах:Optimal solutions to the extended PE optimization problem are generally, regardless of the specific objective function chosen, superior to optimal solutions to the reduced PR optimization problem. In formulas:

Поскольку космический аппарат 1 оснащается системой 11 перемещения, чтобы определять режим работы двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы вычислять для каждого двигателя 9 малой тяги для управления пространственным положением, после стыковки, допустимые позиции и ориентации (области Р и 7 в расширенной задаче PE оптимизации).Since the spacecraft 1 is equipped with a motion system 11 to determine the operating mode of the attitude control thrusters 9, the attitude control computer 10 is programmed to calculate, for each attitude control thruster 9, after docking, the permissible positions and orientations. (regions P and 7 in the extended PE optimization problem).

Также стоит отметить, что коротко решение расширенной задачи PE оптимизации является значительно более сложным по сравнению с решением сокращенной задачи PR оптимизации. Одновременная оптимизация стабилизации космической системы 6 и конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением будет, следовательно нереалистичной, и по этой причине подэтап переконфигурирования (RC) двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением вводится, и итеративный процесс оптимизации конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, показанный в блок-схеме последовательности операций на фиг. 4, предлагается и описывается ниже.It is also worth noting that the short solution to the extended PE optimization problem is much more complex compared to the solution to the reduced PR optimization problem. Simultaneous optimization of the stabilization of the space system 6 and the configuration of the thrusters 9 for attitude control will therefore be unrealistic, and for this reason the reconfiguration (RC) sub-step of the thrusters 9 for attitude control is introduced, and an iterative process of optimizing the configuration of the thrusters 9 for attitude control shown in the flowchart of FIG. 4 is proposed and described below.

Как показано на фиг. 4, процесс оптимизации конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением практически содержит следующие операции, которые будут описаны подробно ниже:As shown in FIG. 4, the process of optimizing the configuration of thrusters 9 for attitude control practically contains the following operations, which will be described in detail below:

1. получение/обновление входных данных для рабочего этапа; (блок 100),1. receiving/updating input data for the work step; (block 100),

2. стабилизация космической системы 6 (блок 110),2. stabilization of space system 6 (block 110),

3. получение/обновление входных данных для оптимизации компоновки двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением (блок 120),3. receiving/updating input data to optimize the layout of low-thrust engines 9 for attitude control (block 120),

4. оптимизация позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением (блок 130), и4. optimization of the position and orientation of the low thrust motors 9 for attitude control (block 130), and

5. (физически) регулировка позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением (блок 140).5. (physically) adjusting the position and orientation of the low thrust motors 9 to control the spatial position (block 140).

Операции 1-5 выполняются только на рабочем этапе космической системы 6, следовательно, как показано в блок-схеме последовательности операций штриховой линией, выход космической системы 6 из рабочего этапа инструктирует немедленное аварийное прекращение исполнения этапа в этот реализуемый момент (общее правило остановки).Operations 1-5 are performed only in the operational stage of the space system 6, therefore, as shown in the dashed line flowchart, the exit of the space system 6 from the operational stage instructs the immediate emergency termination of the execution of the stage at this implemented moment (general stopping rule).

Операция 1.Operation 1.

Получение/обновление входных данных для рабочего этапа.Receive/update input data for a work step.

Операция 1 нацелена на получение или, во время процесса оптимизации, обновление сценария работы космической системы 6 на рабочем этапе.Operation 1 aims to obtain or, during the optimization process, update the operating scenario of the space system 6 in the operational phase.

Операция 1 содержит выполнение следующих этапов:Operation 1 contains the following steps:

1.1 получение/обновление требований для рабочих этапов, например, поддержание заданного угла наведения бортовой оптической системы спутника 5, и критерия оптимизации, например, минимизация расхода топлива;1.1 obtaining/updating requirements for operational steps, for example, maintaining a given pointing angle of the on-board optical system of satellite 5, and optimization criteria, for example, minimizing fuel consumption;

1.2 получение/обновление (доступных) данных о первоначальном/текущем состоянии космической системы 6, таких как позиция, ориентация и угловые скорости космической системы 6 в системе координат, объединенной с космической системой 6;1.2 obtaining/updating (available) data on the initial/current state of the space system 6, such as the position, orientation and angular velocities of the space system 6 in a coordinate system integrated with the space system 6;

1.3 определение позиции и ориентации спутника 5 относительно космического буксира 1, с тем, чтобы предоставлять возможность определения геометрической конфигурации космической системы 6;1.3 determining the position and orientation of the satellite 5 relative to the space tug 1, so as to enable the geometric configuration of the space system 6 to be determined;

1.4 получение текущих позиций и ориентаций двигателей 7 малой тяги для управления пространственным положением (на первоначальном этапе процесса оптимизации, проектных номинальных значений/значений по умолчанию).1.4 obtaining the current positions and orientations of the thrusters 7 for attitude control (at the initial stage of the optimization process, design nominal values/default values).

Что касается этапа 1.1, требования для рабочего этапа и критерий оптимизации являются известными, когда процесс оптимизации инициируется. Они могут изменяться позднее, если необходимость в обновления идентифицируется, например, вследствие изменений в условиях, обнаруженных посредством сенсорной системы 8, или вследствие возникновения других непрогнозируемых условий.As for step 1.1, the requirements for the work step and the optimization criterion are known when the optimization process is initiated. They may change later if a need for updating is identified, for example due to changes in conditions detected by the sensor system 8, or due to the occurrence of other unpredictable conditions.

- 7 043355- 7 043355

Определение обновлений для рабочего этапа, т.е., получение обновленных данных для исполнения (или исполнения вновь, при необходимости) операций 2 и 3, удобно выполняется посредством специализированной нейронной сети, предварительно обученной на земле.Determining updates for the operational step, i.e., obtaining updated data to execute (or execute again, if necessary) operations 2 and 3, is conveniently performed through a specialized neural network previously trained on the ground.

Этап 1.3 выполняется посредством сенсорной системы, например, в форме оптических датчиков, датчиков захвата и распознавания изображения и т.д., после стыковки, при необходимости. Например, в случае, в котором функция наведения оптического инструмента на борту захваченного спутника должна быть восстановлена.Step 1.3 is carried out through a sensor system, for example in the form of optical sensors, image capture and recognition sensors, etc., after docking, if necessary. For example, in a case in which the pointing function of an optical instrument on board a captured satellite must be restored.

Операция 1 выполняется в начале процесса оптимизации и впоследствии, только если условие 1, описанное ниже, возникает. Этапы 1.1), 1.2), 1.3) и 1.4) имеют цель инициализации (или повторной инициализации, при необходимости) операции 2 и/или передачи входных данных для операции 3.Operation 1 is performed at the beginning of the optimization process and thereafter only if condition 1 described below occurs. Steps 1.1), 1.2), 1.3) and 1.4) have the purpose of initializing (or reinitializing, if necessary) operation 2 and/or passing input data to operation 3.

Операция 2.Operation 2.

Стабилизация космической системы.Stabilization of the space system.

Операция 2 нацелена на выполнение подэтапа FS, т.е., стабилизацию пространственного положения космической системы 6 в соответствии с требованиями рабочего этапа и с выбранным критерием оптимизации, т.е., с решением сокращенной задачи PR оптимизации, когда текущая ориентация и позиции двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением считаются постоянными.Operation 2 is aimed at performing sub-stage FS, i.e., stabilizing the spatial position of the space system 6 in accordance with the requirements of the operating stage and with the selected optimization criterion, i.e., solving the abbreviated PR optimization problem when the current orientation and positions of the engines 9 low thrust for spatial position control are considered constant.

Операция 2 легко выполняется посредством нейронной сети, предварительно обученной на земле.Operation 2 is easily performed by a neural network pre-trained on the ground.

Нейронная сеть задействуется посредством импорта информации, полученной из операции 1 посредством этапов 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4.The neural network is enabled by importing the information obtained from operation 1 through steps 1.1, 1.2, 1.3 and 1.4.

Операция 3 затем выполняется, когда космическая система 6 способна удовлетворять требованиям рабочего этапа и выбранному критерию оптимизации, например, минимизации расхода топлива.Operation 3 is then performed when the space system 6 is able to satisfy the operational phase requirements and the selected optimization criterion, for example, minimizing fuel consumption.

Операция 3.Operation 3.

Получение/обновление входных данных для оптимизации компоновки двигателей малой тяги для управления пространственным положением.Receiving/updating input data to optimize the layout of thrusters for attitude control.

Операция 3 нацелена на подготовку входных данных, которые могут обновляться во время процесса оптимизации, необходимого для выполнения подэтапа RC, т.е., оптимизации позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением.Operation 3 aims to prepare input data that can be updated during the optimization process required to perform the RC sub-step, i.e., optimizing the position and orientation of the thrusters 9 for attitude control.

Операция 3 содержит выполнение следующих этапов:Operation 3 contains the following steps:

3.1 . извлечение подмножества усилий управления пространственным положением и крутящих моментов, прикладываемых к космической системе 6 во время этапов управления устойчивого рабочего этапа FR; и3.1. extracting a subset of the attitude control forces and torques applied to the space system 6 during the control stages of the FR steady-state operating stage; And

3.2 определение допустимых областей позиции и ориентации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением и каких-либо обновлений.3.2 determination of acceptable areas of position and orientation of low thrust engines 9 for attitude control and any updates.

Подмножество усилий управления пространственным положением и крутящих моментов, необходимых для исполнения этапа 3.1, получается, следуя соответствующей статистической выборке усилий управления пространственным положением и крутящих моментов, прикладываемых к космической системе 6 во время достаточно продолжительного периода выборки во время подэтапа FR, т.е., устойчивой работы космической системы 6.The subset of attitude control forces and torques required to execute step 3.1 is obtained by following an appropriate statistical sampling of the attitude control forces and torques applied to the space system 6 during a sufficiently long sampling period during sub-step FR, i.e., stable operation of the space system 6.

С этой целью, компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы извлекать подмножество, предварительно определенного размера, результирующих усилий и крутящих моментов, действующих на космическую систему во время управления пространственным положением в течение достаточно продолжительного периода выборки во время подэтапа FR.To this end, the attitude control computer 10 is programmed to extract a predetermined size subset of the resulting forces and torques acting on the space system during attitude control over a sufficiently long sampling period during the FR sub-step.

В целях удобства, компьютер 10 для управления пространственным положением может быть запрограммирован, чтобы извлекать усилия для управления пространственным положением и крутящие моменты, действующие на космическую систему 6 во время наиболее критических этапов управления пространственным положением подэтапа FR, и которые соответствуют, например, максимальному и минимальному значениям модулей усилий управления пространственным положением и крутящих моментов, максимально требуемому расходу и т.д., также как усилия управления пространственным положением и крутящие моменты, действующие наиболее часто на космическую систему 6 во время подэтапа FR.For convenience, the attitude control computer 10 may be programmed to extract the attitude control forces and torques acting on the space system 6 during the most critical attitude control stages of the FR sub-stage, and which correspond to, for example, the maximum and minimum the values of the modules of the attitude control forces and torques, the maximum required flow rate, etc., as well as the attitude control forces and torques acting most frequently on the space system 6 during sub-step FR.

Чтобы гарантировать, что подмножество извлеченных усилий управления пространственным положением и крутящих моментов является репрезентативным, насколько возможно, для усилий и моментов, фактически действующих на космическую систему 6 во время этапов управления пространственным положением, которые имеют место во время подэтапа FR, компьютер 10 для управления пространственным положением может быть для удобства запрограммирован, чтобы выбирать этапы управления пространственным положением, которые максимизируют суммарную разницу усилий управления пространственным положением и, аналогично, крутящих моментов. С этой целью, могут быть применены различные формулировки, например, посредством максимизации, с помощью выбранных весовых коэффициентов, среднеквадратического отклонения усилий и моментов, сумм соответствующих расстояний, выраженных посредством L1, L2 норм, и т.д. Полезные методы и алгоритмы доступны для этой цели, такие как кластеризация методом K-средних.To ensure that the subset of the extracted attitude control forces and torques is as representative as possible of the forces and moments actually acting on the space system 6 during the attitude control steps that occur during the FR substep, the attitude control computer 10 position control can be conveniently programmed to select attitude control steps that maximize the total difference in attitude control forces and, likewise, torques. For this purpose, various formulations can be applied, for example, by maximizing, using selected weighting factors, the standard deviation of forces and moments, the sums of the corresponding distances expressed by L1, L2 norms, etc. Useful methods and algorithms are available for this purpose, such as K-means clustering.

Этап 3.2, прежде всего, нацелен на идентификацию допустимых позиций и ориентаций каждого двигателя 9 малой тяги для управления пространственным положением, которые определяют областиStep 3.2 primarily aims to identify the valid positions and orientations of each thruster 9 for attitude control, which define the areas

- 8 043355 векторов Р и в расширенной задаче PE оптимизации. Поскольку эта информация не известна априори, поскольку является непредсказуемым, в какой точно позиции и ориентации спутник 5 будет относительно космического буксира 1, допустимые позиции и ориентации для каждого двигателя 9 малой тяги для управления пространственным положением для удобства определяются посредством способов распознавания изображения.- 8 043355 vectors P and in the extended PE optimization problem. Since this information is not known a priori, since it is unpredictable what exact position and orientation the satellite 5 will be in relative to the space tug 1, the valid positions and orientations for each thruster 9 for attitude control are conveniently determined by image recognition methods.

Этап 3.2 имеет дополнительную цель идентификации каких-либо обновлений по доступности двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, причем эта информация является необходимой для выполнения операции 4. Фактически, может случиться, например, что двигатель 9 малой тяги для управления пространственным положением сигнализирует о возможной неисправности, и в этом случае его следует надлежащим образом заменить одним или различными двигателями 9 малой тяги для управления пространственным положением, которые работают в более надежных условиях. Дополнительный пример может относиться к необходимости перераспределения использования двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, чтобы избегать перегрузки некоторых из них. Этап 3.2 также для удобства выполняется посредством нейронной сети, предварительно обученной на земле.Step 3.2 has the additional purpose of identifying any updates on the availability of the attitude control thrusters 9, this information being necessary for the execution of step 4. In fact, it may happen, for example, that the attitude control thruster 9 signals a possible malfunction, in which case it should be suitably replaced by one or different attitude control thrusters 9 that operate under more reliable conditions. A further example may relate to the need to redistribute the use of thrusters 9 for attitude control to avoid overloading some of them. Step 3.2 is also, for convenience, carried out using a neural network pre-trained on the ground.

Усилия управления пространственным положением и крутящие моменты, выбранные на этапе 3.1, идентификация пригодных для эксплуатации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением и определение соответствующих областей позиции и ориентации, вычисленных на этапе 3.2, являются основными элементами для дискретизированной (имеющей небольшой размер) формулировки расширенной задачи PE оптимизации, используемой на подэтапе RC, описанном далее в операции 4.The attitude control forces and torques selected in step 3.1, the identification of serviceable attitude control thrusters 9, and the determination of the corresponding position and orientation regions calculated in step 3.2 are the basic elements for the discretized (small-sized) formulation of the extended the PE optimization problem used in the RC substep described later in Step 4.

В конце выполнения операции 3 компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы проверять возникновение рабочего условия, указанного в блок-схеме последовательности операций с помощью выражения условия 1 (блок 150), которое определяется посредством выполнения операции 3, приведшего, или не сумевшего привести, в результате к изменяемому сценарию работы космической системы 6, в частности, идентифицирующему другое подмножество усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов, или исключение одного или более двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, по сравнению с существовавшими перед выполнением операции 3 в процессе оптимизации.At the end of operation 3, the attitude control computer 10 is programmed to check for the occurrence of the operating condition specified in the flowchart by condition expression 1 (block 150), which is determined by execution of operation 3, resulting or failing to result. resulting in a modified operating scenario of the space system 6, in particular identifying a different subset of attitude control forces and torques, or the elimination of one or more thrusters 9 for attitude control, compared to those existing before step 3 in the optimization process .

Если условие 1 определяется как возникающее, тогда компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы выполнять операцию 4, описанную ниже, иначе предполагается повторять операцию 1, после того как заданный период времени прошел (блок 160).If condition 1 is determined to occur, then the attitude control computer 10 is programmed to perform step 4 described below, otherwise step 1 is expected to be repeated after a predetermined period of time has passed (block 160).

Во время первого выполнения операции 3 условие 1 всегда определяется как возникшее, в то время как в последующих итерациях условие 1 может не возникать, в таком случае не существует причины повторно выполнять операцию 4, поскольку она будет попадать в уже рассмотренные сценарии работы, таким образом, создавая возможное зацикливание. Следовательно, операция 4 активизируется, только если возникает условие 1.During the first execution of operation 3, condition 1 is always determined to have occurred, while in subsequent iterations condition 1 may not occur, in which case there is no reason to re-execute operation 4, since it will fall into the operation scenarios already discussed, thus, creating a possible loop. Therefore, operation 4 is activated only if condition 1 occurs.

Операция 4.Operation 4.

Оптимизация позиций и ориентаций двигателей малой тяги для управления пространственным положением.Optimization of thruster positions and orientations for attitude control.

Операция 4 нацелена на оптимизацию позиций и ориентаций доступных двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, идентифицированных в операции 3, т.е., вычислительные аспекты подэтапа RC, во время выхода из подэтапа RC, т.е., перемещение двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, применяются на практике в операции 5, описанной далее в данном документе.Operation 4 aims to optimize the positions and orientations of the available attitude control thrusters 9 identified in operation 3, i.e., the computational aspects of the RC sub-step, during exit from the RC sub-step, i.e., the movement of the thrusters 9 for attitude control are put into practice in step 5 described later in this document.

В операции 4 решается расширенная задача PE оптимизации, где векторы Р и ?, указывающие позицию и ориентацию каждого двигателя 9 малой тяги для управления пространственным положением, больше не считаются константами, а системными параметрами (независимыми от времени), которые могут изменяться в связанных областях, идентифицированных в операции 3.In operation 4, the extended PE optimization problem is solved, where the vectors P and ?, indicating the position and orientation of each thruster 9 for attitude control, are no longer considered constants, but system parameters (independent of time) that can change in related areas, identified in operation 3.

Принятая модель/алгоритм оптимизации вводится (из операции 3) с репрезентативным подмножеством усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов, доступными двигателями 9 малой тяги для управления пространственным положением, ограничениями тяги для каждого из доступных двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, также как какимилибо ограничениями по времени использования, или предоставляемой тяге, и/или дополнительными условиями.The adopted optimization model/algorithm is entered (from step 3) with a representative subset of attitude control forces and torques, available attitude control thrusters 9, thrust constraints for each of the available attitude control thrusters 9, as well as any restrictions on the time of use, or the traction provided, and/or additional conditions.

Стоит отметить, что репрезентативное подмножество усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов применяется для удобства, вместо подмножества, включающего в себя усилия для управления пространственным положением и крутящие моменты всех фактически отобранных этапов управления, для того, чтобы значительно уменьшать размер (и, следовательно, трудность) расширенной задачи PE оптимизации.It is worth noting that a representative subset of the attitude control forces and torques is used for convenience, rather than a subset including the attitude control forces and torques of all actually selected control stages, in order to significantly reduce the size (and therefore difficulty) of the extended PE optimization problem.

Расширенная задача PE оптимизации (дискретизированная согласно подмножеству выбранных усилий и крутящих моментов) может быть сформулирована на языке математического программирования, сAn extended PE optimization problem (discretized according to a subset of selected forces and torques) can be formulated in a mathematical programming language, with

- 9 043355 помощью нелинейной модели или модели частично целочисленного программирования (MIP), и решена с помощью глобальных оптимизаторов (GO) или MIP. Альтернативно, расширенная задача PE оптимизации может быть решена посредством специализированной нейронной сети, предварительно обученной на земле (с помощью специализированных моделей, алгоритмов и оптимизаторов). В этом случае, операции 3 и 4 могут быть объединены в единую операцию, выполняемую специализированной нейронной сетью, предварительно обученной на земле.- 9 043355 using a nonlinear or partial integer programming (MIP) model, and solved using global optimizers (GO) or MIP. Alternatively, an advanced PE optimization problem can be solved by a specialized neural network pre-trained on the ground (using specialized models, algorithms and optimizers). In this case, operations 3 and 4 can be combined into a single operation performed by a specialized neural network previously trained on the ground.

Когда операция 4 была завершена, компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы проверять возникновение рабочего условия, указанного в блок-схеме последовательности операций выражением условия 2 (блок 170), определенным посредством решения, идентифицированного в операции 4, считающегося или не могущего считаться лучшим по сравнению с решениями, идентифицированными в той же операции 4 в предыдущих итерациях процесса оптимизации конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, на основе рассмотренного критерия оптимизации.When step 4 has been completed, the attitude control computer 10 is programmed to check whether the operating condition indicated in the flowchart by condition expression 2 (block 170) determined by the decision identified in step 4 is or is not considered to be the best. compared to the solutions identified in the same operation 4 in previous iterations of the process of optimizing the configuration of thrusters 9 for attitude control, based on the considered optimization criterion.

Если, например, критерий оптимизации является минимизацией расхода топлива, условие 2 определяется посредством конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, идентифицированной в операции 4, предоставляющей возможность получения экономии топлива по сравнению с конфигурациями двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением, идентифицированными в той же операции 4 в предыдущих итерациях процесса оптимизации конфигурации двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением.If, for example, the optimization criterion is the minimization of fuel consumption, condition 2 is determined by the configuration of the attitude control engines 9 identified in step 4, providing the opportunity to obtain fuel savings compared to the configurations of the attitude control engines 9 identified in the same operation 4 in previous iterations of the process of optimizing the configuration of thrusters 9 for attitude control.

Если условие 1 определяется как возникающее, тогда компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы выполнять операцию 5, описанную ниже, иначе предполагается повторять операцию 1, после того как заданный период времени прошел (блок 160).If condition 1 is determined to occur, then the attitude control computer 10 is programmed to perform step 5 described below, otherwise step 1 is expected to be repeated after a predetermined period of time has passed (block 160).

Операция 5.Operation 5.

(Физическая) модификация позиций и ориентаций двигателей малой тяги для управления пространственным положением.(Physical) modification of thruster positions and orientations for attitude control.

Операция 5 нацелена на модификацию позиций и ориентаций двигателей 9 малой тяги для управления пространственным положением на основе выходных данных операции 4.Operation 5 aims to modify the positions and orientations of thrusters 9 for attitude control based on the output of operation 4.

С этой целью, компьютер 10 для управления пространственным положением программируется, чтобы управлять системой 11 перемещения, чтобы инструктировать двигателям 9 малой тяги для управления пространственным положением принимать позиции и ориентации, вычисленные в операции 4.To this end, the attitude control computer 10 is programmed to control the motion system 11 to instruct the attitude control thrusters 9 to assume the positions and orientations calculated in step 4.

На основе того, что было описано выше, возможно оценивать преимущества, которых настоящее изобретение позволяет добиться.Based on what has been described above, it is possible to evaluate the advantages that the present invention can achieve.

В частности, настоящее изобретение предоставляет возможность предоставления электронной системы управления реагированием, которая предоставляет возможность получения улучшений как с точки зрения эффективности оптимизации расхода топлива орбитального обслуживающего космического аппарата, так и с точки зрения числа двигателей малой тяги для управления пространственным положением, необходимых для управления пространственным положением орбитального обслуживающего космического аппарата, и космической системы, сформированной орбитальным обслуживающим космическим аппаратом и пристыкованным или захваченным космическим транспортным средством или объектом.In particular, the present invention provides the ability to provide an electronic response control system that allows improvements to be made both in terms of the efficiency of optimizing the fuel consumption of the orbital servicing spacecraft and in terms of the number of attitude control thrusters required for attitude control an orbital servicing spacecraft, and a space system formed by an orbiting servicing spacecraft and a docked or captured space vehicle or object.

Электронная система управления реагированием может также быть использована, например, на отдельном космическом аппарате, таком как спутник, для того, чтобы оптимизировать расход топлива во время различных этапов использования, или для того, чтобы оптимально переопределять конфигурацию двигателей малой тяги для управления пространственным положением в случае отказа одного или более из них.An electronic response control system may also be used, for example, on a single spacecraft such as a satellite, in order to optimize fuel consumption during various phases of use, or in order to optimally reconfigure thrusters for attitude control in the event of failure of one or more of them.

Кроме того, используемая нейронная сеть может быть приспособлена для самообучения, улучшая свою способность реагирования со временем. С текущим технологическим состоянием предполагается, что она может быть обучена снова с земли с помощью данных, обнаруженных во время использования на борту и повторно обновленных через восходящую линию связи.In addition, the neural network used can be designed to learn itself, improving its responsiveness over time. With the current state of technology, it is envisaged that it can be trained again from the ground using data detected during use on board and re-updated via the uplink.

--

Claims (8)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1), содержащий:1. Orbital service spacecraft (1), containing: систему (4) зацепления, чтобы зацеплять космическое транспортное средство или объект (5), который/которое должен/должно быть обслужен/о или отбуксирован/о, с тем, чтобы формировать космическую систему (6); и эле ктронную систему (7) управления реагированием, чтобы инструктировать космическому аппарату (1) вращаться вокруг продольной, вертикальной и поперечной осей, чтобы управлять пространственным положением и смещением космического аппарата (1) по заданным траекториям, чтобы инструктировать космическому аппарату (1) выполнять заданные маневры;an engagement system (4) to engage a space vehicle or object (5) that is to be serviced or towed so as to form a space system (6); and an electronic response control system (7) to instruct the spacecraft (1) to rotate about the longitudinal, vertical and transverse axes to control the attitude and displacement of the spacecraft (1) along specified trajectories, to instruct the spacecraft (1) to perform specified maneuvers; электронная система (7) управления реагированием содержит:The electronic response control system (7) contains: сен сорную систему (8), чтобы предоставлять возможность непосредственного обнаружения физических величин или их опосредованного вычисления на основе обнаруженных физических величин, содержащих одно или более из позиции, пространственного положения, угловых скоростей, доступного топлива, геометрических признаков и состояния бортовой системы;a sensor system (8) to enable direct detection of physical quantities or indirect calculation thereof based on the detected physical quantities comprising one or more of position, attitude, angular velocities, available fuel, geometric features and on-board system state; двигатели (9) малой тяги для управления пространственным положением, установленные таким образом, чтобы предоставлять возможность регулирования их позиций и ориентаций; и компьютер (10) для управления пространственным положением на связи с сенсорной системой (8) и двигателями (9) малой тяги для управления пространственным положением, запрограммированный, чтобы принимать данные от сенсорной системы (8) и управлять, на основе принятых данных, позициями, ориентациями и рабочими состояниями двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением таким образом, чтобы управлять пространственным положением и позицией космического аппарата (1);low-thrust engines (9) for controlling spatial position, installed in such a way as to provide the ability to regulate their positions and orientations; and an attitude control computer (10) in communication with the sensor system (8) and the attitude control thrusters (9), programmed to receive data from the sensor system (8) and control, based on the received data, positions, orientations and operating states of thrusters (9) for attitude control so as to control the attitude and position of the spacecraft (1); компьютер (10) для управления пространственным положением программируется, чтобы инструктировать космическому аппарату (1) выполнять заданную миссию, содержащую этап зацепления, в котором система (4) зацепления и двигатели (9) малой тяги для управления пространственным положением управляются посредством компьютера (10) для управления пространственным положением, чтобы зацеплять космическое транспортное средство или объект (5), который/которое должен/должно быть обслужен/о или отбуксирован/о, и один или более рабочих этапов, на каждом из которых двигатели (9) малой тяги для управления пространственным положением управляются посредством компьютера (10) для управления пространственным положением, чтобы удовлетворять одному или более требованиям, установленным для рабочего этапа;The attitude control computer (10) is programmed to instruct the spacecraft (1) to perform a predetermined mission comprising an engagement step in which the engagement system (4) and attitude control thrusters (9) are controlled by the computer (10) to attitude control to engage the space vehicle or object (5) to be serviced or towed, and one or more operating stages, each of which has thrusters (9) for attitude control the position is controlled by a computer (10) to control the spatial position to satisfy one or more requirements set for the operating step; каждый рабочий этап может содержать по меньшей мере один подэтап (FS) стабилизации, во время которого пространственное положение космической системы (6) стабилизируется в соответствии с требованиями рабочего этапа и с заданным критерием оптимизации, отличающийся тем, что за каждым подэтапом (FS) стабилизации следует подэтап (FR) устойчивой работы, который начинается, когда подэтап (FS) стабилизации пространственного положения космической системы (6) заканчивается; и на каждом рабочем этапе компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы оптимизировать конфигурацию двигателей (9) для управления пространственным положением в соответствии с требованиями рабочего этапа, реализуя итеративный процесс оптимизации конфигурации двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением, содержащий:each working stage may contain at least one stabilization sub-stage (FS), during which the spatial position of the space system (6) is stabilized in accordance with the requirements of the working stage and with a given optimization criterion, characterized in that each stabilization sub-stage (FS) is followed by sub-stage (FR) of stable operation, which begins when the sub-stage (FS) of stabilizing the spatial position of the space system (6) ends; and at each operating step, the attitude control computer (10) is further programmed to optimize the configuration of the attitude control motors (9) in accordance with the requirements of the operating step, implementing an iterative process of optimizing the configuration of the attitude control motors (9), containing: операцию 1, содержащую:operation 1 containing: 1.1 получение/обновление требований для рабочего этапа и критерия оптимизации;1.1 obtaining/updating requirements for the work step and optimization criterion; 1.2 получение/обновление текущего состояния космической системы (6), определенного позицией, ориентацией и угловыми скоростями космической системы (6) в системе координат космической системы (6);1.2 obtaining/updating the current state of the space system (6), determined by the position, orientation and angular velocities of the space system (6) in the coordinate system of the space system (6); 1.3 определение позиции и ориентации зацепленного космического транспортного средства или объекта (5) относительно космического аппарата (1) с тем, чтобы предоставлять возможность определения геометрической конфигурации космической системы (6); и1.3 determining the position and orientation of the engaged space vehicle or object (5) relative to the spacecraft (1) so as to enable the geometric configuration of the space system (6) to be determined; And 1.4 определение текущих позиций и ориентаций двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением;1.4 determination of the current positions and orientations of the low thrust engines (9) to control the spatial position; операцию 2, содержащую:operation 2 containing: стабилизацию пространственного положения космической системы (6) в соответствии с требованиями для рабочего этапа и с критерием оптимизации на основе текущего состояния и геометрической конфигурации космической системы (6) и текущих позиций и ориентаций двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением, определенных на этапе 1.4;stabilization of the spatial position of the space system (6) in accordance with the requirements for the operating stage and with the optimization criterion based on the current state and geometric configuration of the space system (6) and the current positions and orientations of the thrusters (9) for attitude control determined at the stage 1.4; операцию 3, содержащую:operation 3 containing: 3.1 определение усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов, дей-3.1 determination of forces for controlling spatial position and torques, acting - 11 043355 ствующих на космическую систему (6) во время достаточно продолжительного периода выборки этапа (FR) устойчивой работы; и- 11 043355 operating on the space system (6) during a sufficiently long period of sampling phase (FR) of stable operation; And 3.2 определение допустимых областей позиций и ориентаций двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением и доступности двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением;3.2 determination of permissible areas of positions and orientations of low-thrust engines (9) for attitude control and availability of low-thrust engines (9) for attitude control; операцию 4, содержащую:operation 4 containing: оптимизацию позиций и ориентаций доступных двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением, на основе критерия оптимизации и рассматривая позиции и ориентации двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением в качестве системных переменных, которые могут изменяться в ассоциированных допустимых областях, определенных на этапе 3.2;optimizing the positions and orientations of the available attitude control thrusters (9), based on the optimization criterion and considering the positions and orientations of the attitude control thrusters (9) as system variables that can vary in the associated allowable regions defined by stage 3.2; операцию 5, содержащую:operation 5 containing: модификацию позиций и ориентаций двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением с тем, чтобы инструктировать двигателям (9) малой тяги для управления пространственным положением принимать оптимизированные позиции и ориентации, вычисленные на этапе 4.1.modifying the positions and orientations of the attitude control thrusters (9) to cause the attitude control thrusters (9) to adopt the optimized positions and orientations calculated in step 4.1. 2. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по п.1, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы:2. Orbital service spacecraft (1) according to claim 1, wherein the computer (10) for controlling the spatial position is additionally programmed so that: когда операция 3 была завершена, проверять (150) возникновение первого рабочего условия, определенного посредством выполнения операции 3, приведшего или не сумевшего привести в результате к изменению сценария работы космической системы (6), определенного посредством множества усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов, прикладываемых к космической системе (6), и/или посредством доступности, или их отсутствия, одного или более двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением, по сравнению со сценарием работы перед выполнением операции 3 в итеративном процессе оптимизации конфигурации двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением;when step 3 has been completed, check (150) for the occurrence of the first operating condition determined by performing step 3 that does or does not result in a change in the operating scenario of the space system (6) determined through a plurality of attitude control forces and torques, applied to the space system (6), and/or through the availability, or lack thereof, of one or more thrusters (9) for attitude control, compared to the operating scenario before performing step 3 in the iterative process of optimizing the configuration of the engines (9) low thrust for spatial position control; если первое рабочее условие определяется как возникшее, выполнять операцию 4 (130); и если первое рабочее условие определяется как невозникшее, повторять операцию 1, после того как заданный период времени (160) истек.if the first operating condition is determined to have occurred, perform step 4 (130); and if the first operating condition is determined to have not occurred, repeat step 1 after the predetermined period of time (160) has elapsed. 3. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по п.1 или 2, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно конфигурируется, чтобы:3. Orbital service spacecraft (1) according to claim 1 or 2, wherein the computer (10) for controlling the spatial position is additionally configured to: когда операция 4 была завершена, проверять (170) возникновение второго рабочего условия, определенного посредством выполнения операции 4, приведшего или не сумевшего привести в результате к улучшению, определенному на основе критерия оптимизации, по сравнению с предыдущими выполнениями операций 4 в итеративном процессе оптимизации конфигурации двигателей (9) малой тяги для управления пространственным положением;when step 4 has been completed, check (170) for the occurrence of a second operating condition determined by execution of step 4 that has or has not resulted in an improvement determined based on the optimization criterion compared to previous executions of steps 4 in the iterative engine configuration optimization process (9) low thrust for attitude control; если второе рабочее условие определяется как возникшее, выполнять операцию 5 (140); и если второе рабочее условие определяется как невозникшее, повторять операцию 1, после того как заданный период времени (160) истек.if the second operating condition is determined to have occurred, perform step 5 (140); and if the second operating condition is determined to have not occurred, repeat step 1 after the predetermined period of time (160) has elapsed. 4. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по любому из предшествующих пунктов, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы реализовывать один или более из подэтапа (FS) стабилизации, определения необходимости обновления согласно этапу 1.1 в операции 1, операции 2 и этапу 3.2 в операции 3 посредством одной и той же или различных нейронных сетей, предварительно обученных на земле.4. The orbital servicing spacecraft (1) according to any of the preceding claims, wherein the attitude control computer (10) is further programmed to implement one or more of the stabilization sub-step (FS), determining the need for updating according to step 1.1 in operation 1, operation 2 and step 3.2 in operation 3 through the same or different neural networks pre-trained on the ground. 5. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по любому из предшествующих пунктов, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы определять позицию и ориентацию космического транспортного средства или объекта (5), который/которое должен/должно быть обслужен/о или отбуксирован/о, относительно космического аппарата (1) и геометрическую конфигурацию космической системы (6) согласно этапу 1.3 в операции 1 на основе данных, выведенных сенсорной системой (8).5. An orbital servicing spacecraft (1) according to any of the preceding paragraphs, wherein the attitude control computer (10) is further programmed to determine the position and orientation of the space vehicle or object (5) that is/is to be serviced /o or towed/o, relative to the spacecraft (1) and the geometric configuration of the space system (6) according to step 1.3 in operation 1 based on data output by the sensor system (8). 6. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по любому из предшествующих пунктов, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы выполнять операцию 3, когда космическая система (6) удовлетворяет требованиям рабочего этапа и критерию оптимизации.6. The orbital service spacecraft (1) as claimed in any one of the preceding claims, wherein the attitude control computer (10) is further programmed to perform step 3 when the space system (6) satisfies the operational step requirements and optimization criterion. 7. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по любому из предшествующих пунктов, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы выполнять этап 3.1 в операции 3, извлекая подмножество усилий для управления пространственным положением и крутящих моментов, прикладываемых к космической системе (6) и представляющих усилия для управления пространственным положением и крутящие моменты, прикладываемые к космической системе (6) во время этапов управления, которые имели место во время операции (FR) устойчивой работы.7. The orbital service spacecraft (1) as claimed in any one of the preceding claims, wherein the attitude control computer (10) is further programmed to perform step 3.1 in step 3, retrieving a subset of the attitude control forces and torques applied to the spacecraft system (6) and representing the attitude control forces and torques applied to the space system (6) during the control steps that occurred during steady operation (FR). 8. Орбитальный обслуживающий космический аппарат (1) по п.7, при этом компьютер (10) для управления пространственным положением дополнительно программируется, чтобы извлекать подмно-8. Orbital servicing spacecraft (1) according to claim 7, wherein the computer (10) for attitude control is additionally programmed to retrieve subsets --
EA202291198 2019-10-18 2020-10-19 COMPREHENSIVE SERVICE IN ORBIT EA043355B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102019000019322 2019-10-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA043355B1 true EA043355B1 (en) 2023-05-17

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2750349C2 (en) Satellite docking system and method
EP3665085B1 (en) Spacecraft, and control system and method for controlling operation of spacecraft
US10882640B2 (en) Energy efficient satellite maneuvering
US20170139427A1 (en) Model Predictive Control of Spacecraft
CN109774974B (en) Track design method for space debris approaching
EP3765369B1 (en) Spacecraft and vehicle
EP4045412B1 (en) End-to-end on-orbit servicing
CN109080854A (en) The highly elliptic orbit that spacecraft returns to predetermined drop point becomes rail planing method
Fear et al. Implementation of small satellite autonomous rendezvous using model predictive control
Johnson et al. Pterodactyl: development and performance of guidance algorithms for a mechanically deployed entry vehicle
Huang et al. Coordinated coupling control of tethered space robot using releasing characteristics of space tether
Wilson et al. Motion-based mass-and thruster-property identification for thruster-controlled spacecraft
Jackson et al. Downsizing an orbital space robot: A dynamic system based evaluation
EA043355B1 (en) COMPREHENSIVE SERVICE IN ORBIT
Calhoun et al. Entry vehicle control system design for the mars science laboratory
Hu et al. Approaching control for tethered space robot based on disturbance observer using super twisting law
Nolan et al. Real-time onboard trajectory optimization using indirect methods
JP2802130B2 (en) Orbit change method and orbit change device for artificial satellite
Watanabe et al. Initial In-Orbit Operation Result of Microsatellite HIBARI: Attitude Control by Driving Solar Array Paddles
Leite Filho Control system of Brazilian launcher
Thrasher et al. Orion's exoatmospheric burn guidance architecture and algorithm
Yoshimura et al. Global trajectory design for position and attitude control of an underactuated satellite
Sasaki et al. Adaptive Control/Steering Design for Deorbiting Space Debris with Hybrid Actuators Configuration
Burkhardt et al. Flight performance and control aspects of a semi-ballistic reentry capsule
Konstantinov et al. The analysis of ballistic capabilities for countering disturbances associated with temporary emergency electric propulsion shutdown