RU2089468C1 - Method of control of space vehicle turn manoeuvre - Google Patents
Method of control of space vehicle turn manoeuvre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2089468C1 RU2089468C1 RU93041284A RU93041284A RU2089468C1 RU 2089468 C1 RU2089468 C1 RU 2089468C1 RU 93041284 A RU93041284 A RU 93041284A RU 93041284 A RU93041284 A RU 93041284A RU 2089468 C1 RU2089468 C1 RU 2089468C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spacecraft
- turn
- space vehicle
- moment
- control
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники и может использоваться для управления угловым положением космических аппаратов (КА) и орбитальных станций. The invention relates to the field of space technology and can be used to control the angular position of spacecraft (SC) and orbital stations.
Известны способы управления поворотным маневром КА [1]
В указанном способе управления разворотом КА в требуемое конечное угловое положение вращение КА осуществляется по назначенной траектории, согласно принципу управления по угловому ускорению: заданный вектор. Кинематические уравнения желаемого движения космического аппарата записываются через компоненты кватерниона
причем Λн = Λ(o) кватернион начального положения КА;
Λк = Λ(Tк) кватернион конечного положения КА;
Tк время разворота КА.Known methods for controlling the rotary maneuver of the spacecraft [1]
In the specified method of controlling the spacecraft rotation to the required final angular position, the spacecraft rotation is carried out along the designated path, according to the angular acceleration control principle: given vector. The kinematic equations of the desired motion of the spacecraft are written through the components of the quaternion
moreover, Λ n = Λ (o) quaternion of the initial position of the spacecraft;
Λ k = Λ (T k ) quaternion of the final position of the spacecraft;
T by the time of turning the spacecraft.
При многих достоинствах системы, построенных по принципу управления по ускорению, применительно к управлению пространственным разворотом КА отмеченная система обладает существенным недостатком назначенные траектории должны задаваться аналитически, а следовательно, движение по ним не обеспечивает минимизацию расхода топлива на реализацию разворота. Кроме того, не любая назначенная траектория вращения КА может быть реализована физически в силу ограниченности управляющих моментов:
Ближайшим по технической сущности аналогом является способ управления поворотным маневром (переориентацией динамически симметричного) КА, включающий определение параметров разворота, определение кинетического момента требуемого для приведения космического аппарата при свободном его вращении в заданное угловое положение Λк, в заданный момент времени разгон космического аппарата и по окончании участка свободного движения торможение космического аппарата [2] При этом способе управления предполагается, что КА движется по коническим траекториям, совершая при этом регулярную прецессию. Движение состоит из участков, где действуют максимальный момент m0 (участки разгона и торможения КА), и участка свободного движения, на котором управляющий момент равен нулю.With many advantages of the system, built on the principle of acceleration control, as applied to the control of the spacecraft’s spatial turn, the noted system has a significant drawback, the assigned paths must be set analytically, and therefore, movement along them does not minimize fuel consumption for the turn. In addition, not any assigned trajectory of the spacecraft rotation can be physically realized due to the limited control moments:
The closest in technical essence analogue is a method of controlling a rotary maneuver (reorientation of dynamically symmetric) of a spacecraft, including determining the parameters of a turn, determining the kinetic moment required to bring the spacecraft with its free rotation to a given angular position Λ k , at a given point in time, the spacecraft accelerates and at the end of the free motion section the spacecraft brakes [2] With this control method, it is assumed that the spacecraft moves along conical trajectories, performing at this is a regular precession. The movement consists of sections where the maximum moment m 0 acts (acceleration and deceleration sections of the spacecraft), and a section of free movement, in which the control moment is zero.
Приведение КА из начального углового положения в требуемое конечное положение производится посредством вычисления направления расчетного кинетического момента (вектор разворота) и угла разворота ψ, с учетом инерционных характеристик КА.Bringing the spacecraft from the initial angular position to the desired final position is performed by calculating the direction of the calculated kinetic moment (rotation vector) and the rotation angle ψ, taking into account the inertial characteristics of the spacecraft.
Недостатком способа-прототипа является низкая точность разворота в случае несимметричного КА и при разворотах на большие углы, так как на участке свободного движения не производится контроль кинематических параметров. The disadvantage of the prototype method is the low accuracy of the turn in the case of an asymmetric spacecraft and when turning at large angles, since the kinematic parameters are not controlled in the free-motion section.
Техническим результатом данного изобретения является существенное повышение точности разворота произвольного КА при относительно низких затратах топлива. The technical result of this invention is a significant increase in the accuracy of the rotation of an arbitrary spacecraft with relatively low fuel consumption.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе управления поворотным маневром космического аппарата, включающем определение параметров разворота, определение кинетического момента , требуемого для приведения космического аппарата при свободном его вращении в заданное угловое положение Λк, в заданный момент времени разгон космического аппарата и по окончании участка свободного движения торможение космического аппарата, на участке свободного движения определяют параметры доворота от текущего углового положения космического аппарата до заданного:
Определяют значение целевой функции
где λдi компоненты кватерниона доворота Λд;
ωi компоненты вектора угловой скорости космического аппарата;
вектор кинетического момента космического аппарата;
Ii моменты инерции космического аппарата;
Ci коэффициенты расхода топлива ( Ci= const > 0 ),
фиксируют параметры доворота Λд в момент, когда Gy минимальна, затем определяют и фиксируют кинетический момент доворота
и прикладывают к космическому аппарату управляющий момент для осуществления указанного доворота.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method of controlling the rotary maneuver of the spacecraft, including determining the parameters of the rotation, determining the kinetic moment required to bring the spacecraft with its free rotation to a given angular position Λ k , at a given point in time, the acceleration of the spacecraft and at the end of the free motion section the braking of the spacecraft, in the free motion section determine the rotation parameters from the current angular position of the spacecraft to the specified:
Determine the value of the objective function
where λ di components of the quaternion dovor Λ d ;
ω i components of the angular velocity vector of the spacecraft;
the vector of the kinetic moment of the spacecraft;
I i moments of inertia of the spacecraft;
C i fuel consumption coefficients (C i = const> 0),
fix the parameters of the turnaround Λ d at the moment when G y is minimal, then determine and fix the kinetic moment of the turnaround
and apply to the spacecraft a control moment for the implementation of the specified turn.
При этом в предпочтительном варианте реализации способа определение целевой функции Gy производят с момента времени, в который выполняется условие
θост = 0,1 θo, (4)
где углы эквивалентного разворота космического аппарата соответственно от начального и текущего до заданного положения определяют соотношениями:
где Λн кватернион, определяющий угловое положение космического аппарата.Moreover, in a preferred embodiment of the method, the determination of the objective function G y is performed from the time at which the condition
θ ost = 0.1 θ o , (4)
where the angles of the equivalent rotation of the spacecraft, respectively, from the initial and current to a given position are determined by the relations:
where Λ n quaternion defining the angular position of the spacecraft.
Сущность предлагаемого способа заключается в управлении КА таким образом, чтобы он совершал вращение по траектории свободного движения практически до конечного углового положения. При этом движение КА существенно отличается от регулярной прецессии (так как КА не обладает динамической симметрией и действуют возмущающие моменты) и вектор разворота не может быть найден аналитически. Однако, имея математическую модель фактического КА и применяя метод последовательных приближений, удалось определить для любых начального и конечного положений КА и времени разворота направление вектора кинетического момента, соответствующего траектории свободного движения КА, проходящей через начальное и конечное положения КА. Для обеспечения высокой точности управления при подходе КА к требуемому конечному положению формирование управляющих моментов происходит из условия вращения КА вокруг эйлеровой оси. Весь процесс разворота делится на четыре участка: разгон КА до требуемого кинетического момента, неуправляемое вращение КА по траектории свободного движения, коррекция и доворот КА вокруг оси Эйлера, торможение КА. На участках разгона и торможения управляющие моменты максимальны, а на участке доворота имеют незначительную величину.The essence of the proposed method is to control the spacecraft in such a way that it rotates along the trajectory of free motion almost to the final angular position. In this case, the motion of the spacecraft significantly differs from the regular precession (since the spacecraft does not have dynamic symmetry and disturbing moments act) and the rotation vector cannot be found analytically. However, having a mathematical model of the actual spacecraft and applying the method of successive approximations, it was possible to determine for any initial and final positions of the spacecraft and the turn time the direction of the kinetic moment vector corresponding to the trajectory of free motion of the spacecraft passing through the initial and final positions of the spacecraft. To ensure high accuracy of control when approaching the spacecraft to the required final position, the formation of control moments occurs from the condition of rotation of the spacecraft around the Euler axis. The entire rotation process is divided into four sections: acceleration of the spacecraft to the required kinetic moment, uncontrolled rotation of the spacecraft along the trajectory of free motion, correction and rotation of the spacecraft around the Euler axis, braking of the spacecraft. In the areas of acceleration and braking, the control moments are maximum, and in the area of the turnaround they are insignificant.
На фиг. 1 представлена функционально-логическая схема системы управления КА для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 показаны законы управления прикладываемым к КА моментом при отработке способа-прототипа и предлагаемого способа. In FIG. 1 presents a functional logic diagram of a spacecraft control system for implementing the proposed method; in FIG. 2 shows the laws of control applied to the spacecraft moment when practicing the prototype method and the proposed method.
Система управления поворотным маневром КА содержит устройство 1 ввода и хранения начального и конечного положения КА (УВХHКП), блок 2 задатчиков моментов инерции КА (БЗМИ), устройство 3 ввода времени разворота (УВВР), бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИHС) 4, блок 5 датчиков угловых скоростей (БДУС), вычислительное устройство (ВУ) 6, блок 7 хранения коэффициентов закона управления (БХКЗУ), задатчик 8 коэффициентов расхода топлива (ЗКРТ), согласующе-преобразующее устройство (СПУ) 9, исполнительные органы (ИО) 10, при этом первый выход устройства 1 ввода и хранения начального и конечного положения КА связан с первым входом бесплатформенной инерциальной навигационной системой 4 и с первым входом вычислительного устройства 6, второй выход устройства 1 ввода связан со вторым входом вычислительного устройства 6, выход блока 2 задатчиков моментов инерции КА связан с третьим входом вычислительного устройства 6, выход устройства 3 ввода времени разворота связан с четвертым входом вычислительного устройства 6, выход бесплатформенной инерциальной навигационной системы 4 связан с пятым входом вычислительного устройства 6, выход блока 5 датчиков угловых скоростей связан со вторым входом бесплатформенной инерциальной навигационной системы 4 и с шестым входом вычислительного устройства 6, выход этого вычислительного устройства связан с входом согласующе-преобразующего устройства 9; первый выход блока 7 хранения коэффициентов закона управления связан с седьмым входом вычислительного устройства 6; второй выход блока 7 хранения коэффициентов закона управления связан с восьмым входом вычислительного устройства 6, выход задатчика 8 коэффициентов расхода топлива связан с 9 входом вычислительного устройства 6; первый выход согласующе-преобразующего устройства 9 связан с исполнительными органами 10 первого канала (10.1), второй выход согласующе-преобразующего устройства 9 связан с исполнительными органами 10 второго канала (10.2), третий выход согласующе-преобразующего устройства 9 связан с исполнительными органами 10 третьего канала (10.3). The spacecraft rotary maneuver control system includes a spacecraft input and storage input and storage device 1 (UVHHKP) 1, a spacecraft inertia moment setter (BZMI) 2, a rotation time input device 3 (UVR), a strapdown inertial navigation system (BINS) 4, block 5 angular velocity sensors (BDS), a computing device (WU) 6, a control law coefficient storage unit (BHKZU) 7, a fuel consumption coefficient adjuster 8 (ZKRT), a matching-converting device (SPU) 9, executive bodies (IO) 10, this is the first out One device for input and storage of the initial and final position of the spacecraft is connected with the first input of the strapdown inertial navigation system 4 and with the first input of the computing device 6, the second output of the input device 1 is connected with the second input of the computing device 6, the output of the
Вычислительное устройство 6 производит все математические операции, необходимые для реализации способа, и содержит в себе математическую модель углового движения КА. В качестве вычислительного устройства может быть использована БЦВМ, и тогда в систему необходимо ввести интерфейс обмена информацией с измерительными приборами и исполнительными органами. Computing device 6 performs all the mathematical operations necessary to implement the method, and contains a mathematical model of the angular motion of the spacecraft. A digital computer can be used as a computing device, and then it is necessary to introduce an information exchange interface with measuring instruments and executive bodies into the system.
Работает система, реализующая предлагаемый способ управления поворотным маневром КА, следующим образом. A system is operating that implements the proposed method for controlling the spacecraft rotary maneuver as follows.
По значениям моментов инерции КА I1, I2, I3 ВУ6 вычисляет значение экваториального момента инерции I согласно выражению
Далее по начальному и конечному положениям КА, времени разворота и инерционным характеристикам КА в ВУ6 осуществляется расчет требуемого кинетического момента по методу итераций.From the values of the moments of inertia of the spacecraft I 1 , I 2 , I 3 VU6 calculates the value of the equatorial moment of inertia I according to the expression
Then, according to the initial and final positions of the spacecraft, the turn time and the inertial characteristics of the spacecraft in VU6, the required kinetic moment is calculated by the iteration method.
Отклонение прогнозируемого положения КА Λ(Tк) от требуемого Λк определяется путем математического моделирования в ВУ6.The deviation of the predicted position of the spacecraft Λ (T k ) from the required Λ k is determined by mathematical modeling in VU6.
Интерационный процесс
повторяется, пока
Рассчитанному таким образом вектору кинетического момента соответствует угол разворота ψ и вектор разворота По углу разворота и времени разворота ВУ определяет время разгона (торможения) τ по выражению:
В исходном состоянии выход вычислительного устройства замаскирован, и . В момент поступления команды на разворот ВУ6 формирует управляющий момент который прикладывают к КА посредством ИО10. Расчет текущего кинетического момента ВУ6 производит непрерывно по показаниям ДУС 5, дающим вектор , и моментам инерции
Как только КА будет сообщен расчетный кинетический момент, выход ВУ6 маскируется, управляющие моменты отсутствуют и КА производит свободное вращение. При этом ВУ6 непрерывно определяет метры доворота по формуле (1) и вычисляет значение целевой функции Gy.Intergration process
repeated until
The kinetic moment vector calculated in this way corresponds to a pivot angle ψ and a pivot vector The angle of the turn and the time of the turn of the control unit determines the time of acceleration (braking) τ by the expression:
In the initial state the output of the computing device is masked, and . At the time of receipt of the command to turn the VU6 generates a control moment which is applied to the spacecraft through IO10. Calculation of the current kinetic moment VU6 produces continuously according to the indications of DUS 5, giving a vector , and moments of inertia
As soon as the calculated kinetic moment is reported to the spacecraft, the VU6 output is masked, there are no control moments and the spacecraft rotates freely. At the same time, VU6 continuously determines the metering by the formula (1) and calculates the value of the objective function G y .
В момент времени, когда эта функция принимает минимальное значение, фиксируют параметры доворота Λд, по которым ВУ6 вычисляет и фиксирует кинетический момент доворота (3). КА сообщают корректирующий импульс путем приложения управляющих моментов по осям КА
где ki, ri постоянные коэффициенты.At the time when this function assumes the minimum value, the parameters of the retraction Λ d are fixed, according to which VU6 calculates and fixes the kinetic moment of the retraction (3). Spacecraft report corrective pulse by applying control moments along the SC axes
where k i , r i are constant coefficients.
Далее угловая скорость и кинетический момент поддерживаются постоянными. Одновременно ВУ6 вычисляет угол доворота (6), определяет и фиксирует угол θпор на который развернется КА при торможении.Further angular velocity and kinetic moment maintained constant. At the same time, VU6 calculates the angle of rotation (6), determines and fixes the angle θ of the pores through which the spacecraft will turn during braking.
В момент равенства θост = θпор производят торможение КА, причем управляющие моменты по осям КА формируются, исходя из выражения
Когда выход ВУ6 маскируется, исполнительные органы отключены, поворотный маневр окончен. Система готова к следующему поворотному маневру КА.At the moment of equality θ ost = θ then the spacecraft is braked, and control moments along the spacecraft axes are formed based on the expression
When VU6 output is masked, executive bodies are turned off, the turning maneuver is over. The system is ready for the next rotary maneuver of the spacecraft.
Целевая функция (2) по мере свободного вращения КА будет убывать и ее минимум находится вблизи конечного положения Λк. Поэтому в предлагаемом способе значение этой функции (2) начинают определять с некоторого момента времени, при котором углы от конечного положения до начального и до текущего положений отвечают условию (5), (6), то есть находится в определенной пропорции (4). Исходя из результатов математического моделирования серии поворотных маневров КА получено, что коэффициент пропорциональности целесообразно принять равным K 0,1.The objective function (2) with the free rotation of the spacecraft will decrease and its minimum will be near the final position Λ k . Therefore, in the proposed method, the value of this function (2) begins to be determined from a certain point in time at which the angles from the final position to the initial and current positions correspond to condition (5), (6), that is, it is in a certain proportion (4). Based on the results of mathematical modeling of a series of spacecraft rotary maneuvers, it was found that the proportionality coefficient should be taken equal to K 0.1.
Временные диаграммы процесса управления КА приведены на фиг. 2. Timing diagrams of the spacecraft control process are shown in FIG. 2.
Эффективность предлагаемого способа определяется прежде всего тем, что на большей части траектории движения управляющий момент равен нулю, что существенно экономит топливо. Вместе с тем, способ предлагает терминальный принцип управления в окрестности заданного углового положения КА, чем и обеспечивает высокую точность разворота в условиях действия значительных внешних возмущающих моментов. The effectiveness of the proposed method is determined primarily by the fact that for most of the trajectory of motion the control moment is zero, which significantly saves fuel. At the same time, the method offers a terminal control principle in the vicinity of a given angular position of the spacecraft, which ensures high accuracy of the turn under conditions of significant external disturbing moments.
Claims (2)
где сопряженный с Λ кватернион,
определяют значение целевой функции
где
компоненты кватерниона доворота Λд
ωi- компоненты вектора угловой скорости космического аппарата;
K - вектор фактического кинетического момента космического аппарата;
Ji моменты инерции космического аппарата;
Ci коэффициенты расхода топлива (Ci const > 0),
фиксируют параметры доворота Λд в момент, когда Gу минимальна, затем определяют и фиксируют кинетический момент доворота
и прикладывают к космическому аппарату управляющий момент для осуществления указанного доворота.1. A method for controlling a rotary maneuver of a spacecraft, including determining the parameters of a turn, determining the kinetic moment required to bring the spacecraft with its free rotation to a predetermined angular position, determined by the quaternion Λ k at a given point in time, the acceleration of the spacecraft and at the end of the free motion section the braking of the spacecraft, characterized in that in the free movement section determine the parameters of the turn from the current angular position spacecraft defined by the quaternion Λ, up to a given
Where Λ quaternion conjugate,
determine the value of the objective function
Where
components of the quaternion dovor Λ d
ω i are the components of the angular velocity vector of the spacecraft;
K is the vector of the actual kinetic moment of the spacecraft;
J i moments of inertia of the spacecraft;
C i fuel consumption coefficients (C i const> 0),
fix the parameters of the turnaround Λ d at the moment when G у is minimal, then determine and fix the kinetic moment of the turnaround
and apply to the spacecraft a control moment for the implementation of the specified turn.
θост = 0,1θo
где углы эквивалентного разворота космического аппарата соответственно от начального и текущего до заданного положения определяются соотношениями
где Λн- кватернион, определяющий начальное угловое положение космического аппарата.2. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the objective function G y is produced from the point in time at which the condition
θ ost = 0.1θ o
where the angles of the equivalent rotation of the spacecraft, respectively, from the initial and current to a given position are determined by the relations
where Λ n is the quaternion, which determines the initial angular position of the spacecraft.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93041284A RU2089468C1 (en) | 1993-08-17 | 1993-08-17 | Method of control of space vehicle turn manoeuvre |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93041284A RU2089468C1 (en) | 1993-08-17 | 1993-08-17 | Method of control of space vehicle turn manoeuvre |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93041284A RU93041284A (en) | 1996-07-20 |
RU2089468C1 true RU2089468C1 (en) | 1997-09-10 |
Family
ID=20146590
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93041284A RU2089468C1 (en) | 1993-08-17 | 1993-08-17 | Method of control of space vehicle turn manoeuvre |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2089468C1 (en) |
-
1993
- 1993-08-17 RU RU93041284A patent/RU2089468C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. - М.: Наука, 1988, с. 168 - 178. 2. Бранец В.Н., Черток М.Б., Казначеев Ю.В. Оптимальный разворот твердого тела с одной осью и симметрии // Космические исследования, 1984, т. 22, вып. 3. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sostaric et al. | Powered descent guidance methods for the moon and mars | |
JP2542390Y2 (en) | Digital pulse width pulse frequency 3-axis spacecraft attitude control system | |
CN109426147B (en) | Adaptive gain adjustment control method for combined spacecraft after satellite acquisition | |
Hull et al. | Time-to-go prediction for homing missiles based on minimum-time intercepts | |
Ben-Asher et al. | New proportional navigation law for ground-to-air systems | |
Speyer et al. | Passive homing missile guidance law based on new target maneuver models | |
Martins-Filho et al. | Processor-in-the-loop simulations applied to the design and evaluation of a satellite attitude control | |
RU2089468C1 (en) | Method of control of space vehicle turn manoeuvre | |
RU2131832C1 (en) | Method of control of spacecraft turn | |
Menon et al. | Guidance laws for spacecraft pursuit-evasion and rendezvous | |
Blajer | Aircraft program motion along a predetermined trajectory Part II. Numerical simulation with application of spline functions to trajectory definitions | |
Strub et al. | Hardware-in-the-loop experimental setup development for a guided projectile in a wind tunnel | |
RU2115597C1 (en) | Method of control of space turn of spacecraft | |
McFarland et al. | Near real-time closed-loop optimal control feedback for spacecraft attitude maneuvers | |
Pontani et al. | Variable-time-domain neighboring optimal guidance and attitude control for low-thrust orbit transfers | |
RU2093433C1 (en) | Method of control of space vehicle turn | |
RU2095295C1 (en) | Method of control of space vehicle turn and system for realization of this method | |
JPS61169786A (en) | Tracking filter | |
Alfano et al. | Hypervelocity orbital intercept guidance using certainty control | |
RU2104232C1 (en) | Method of control of space vehicle turn | |
Colasurdo | Optimal finite-thrust spacecraft trajectories | |
Szyszkowski et al. | Improving time-optimal maneuvers of two-link robotic manipulators | |
RU2076833C1 (en) | Method and device for reorientation control of space-craft | |
RU2116943C1 (en) | Method of control of spatial turn of space vehicle | |
Mashtakov et al. | Lyapunov based attitude control algorithm for slew maneuvers with restrictions |