Динамика космических систем

Динамика и управление орбитальным и угловым движением

Грант РНФ № 17-71-20117 "Новые методы управления ориентацией малых спутников при ограничениях"

Срок выполнения: июль 2017 – июнь 2020

Организация, где выполняется работа: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН

Руководитель – к.ф.-м.н. С.С. Ткачев

 Аннотация 

      Современное стремительное развитие науки и технологий предполагает крайне быстрый переход от рождения какой-либо идеи к ее реализации и повсеместному использованию. Это касается и использования космического пространства для решения технологических, научных и народно-хозяйственных задач. Срок разработки большей части космических систем не может превышать нескольких лет. В противном случае возможно устаревание либо программно-аппаратной части, либо общей концепции миссии, либо того и другого одновременно. Вместе с тем развитие технологий вывело на качественно новый уровень возможности малых космических аппаратов (массой от нескольких до ста килограмм) за счет миниатюризации большей части аппаратного состава. За рубежом подобные спутники уже заняли прочные позиции в области проведения научных исследований и коммерческого использования околоземного космического пространства (например, 104 кубсата, выведенных в феврале 2017 года с помощью ракеты PSLV). В настоящее время становятся возможны даже межпланетные миссии (например, запланированная на 2018 год миссия EM-1 попутного запуска к Луне 13 кубсатов). В России в программу стратегического развития Роскосмоса до 2025 года включены группировки малоразмерных космических аппаратов. При этом на подобные спутники возлагаются все более сложные задачи (ярким примером являются наноспутники ДЗЗ Dove разработки PlanetLab). Поэтому естественно происходит рост требований к алгоритмам автономного управления (в особенности угловым движением) при остающихся скромных возможностях по энерговооруженности, габаритах и массе. 

      Таким образом, возникает противоречивая ситуация, когда с одной стороны необходимо обеспечить характеристики работы системы ориентации, сопоставимые с характеристиками больших спутников, а с другой – эта система должна функционировать в условиях существенных ограничений. Проект нацелен на преодоление этого противоречия путем компенсации аппаратных ограничений разработкой и адаптацией новых подходов и алгоритмов для определения и управления угловым движением малых спутников, детального математического и компьютерного моделирования и глубокого анализа динамики спутников. При этом решаются задачи как непосредственно управления и определения, так и оценки их качества - точности, быстродействия, минимизации энергетических затрат, а также рациональной, по разным критериям, компоновки самой системы. Имея подобные результаты "на руках", разработчики космических систем смогут объективно и быстро оценивать реализуемость своих потребностей на малых спутниках. Это должно стимулировать активную разработку и использование малых космических аппаратов в России, переходя от "точечных" разработчиков в нескольких университетах и организациях космической отрасли к активному привлечению бизнеса. 

      Реализация проекта – разработка и адаптация новых подходов к управлению угловым движением малых космических аппаратов – опирается на глубокие математические исследования управляемого движения с учетом особенностей и ограничений конкретных исполнительных элементов и датчиков. Исследования планируется проводить с использованием как классических методов теории управления, теории устойчивости, асимптотических методов, так и современных достижений в области математического и компьютерного моделирования. "Наполнение" системы управления опирается на современные достижения в области миниатюризации. Так, в качестве исполнительных элементов рассматриваются как хорошо зарекомендовавшие себя магнитные системы ориентации (токовые катушки, гистерезисные стержни), так и совсем недавно ставшие доступными для разработчиков малых спутников гироскопические системы (маховики и гиродины). Использование подобных систем в условиях ограничений на максимальные управляющие моменты приводит к тому, что возмущения оказываются сопоставимы с управлением и существенно влияют на динамику. В этой ситуации необходимо, во-первых, уметь заранее оценивать влияние этих возмущений (желательно в виде осязаемых зависимостей и конечных соотношений) на точность ориентации, а во-вторых оценить сами эти возмущения в условиях космического полета для их последующей компенсации. Таким образом, возникает задача не только определения углового движения спутника, но и общая задача идентификации системы (определения ее параметров), решение которой в свете вышесказанного может оказаться ключевым. К этому зачастую добавляется требование на ограничение по фазовому вектору – по углу и/или угловой скорости. Это может быть, например, отслеживание траектории на поверхности Земли (задачи дистанционного зондирования) или запрещенные зоны на небесной сфере (во избежание засветки Солнцем чувствительных приборов). Таким образом, в проекте ставится задача синтеза алгоритмов управления угловым движением малых космических аппаратов и исследования их динамики в условиях ограничений на управление и фазовый вектор и недостатке измерительной информации.


Публикации по теме проекта:

В стадии подготовки


Назад к списку грантов РНФ и РФФИ