Time-Periodic Spacecraft Attitude Control with the Use of Slewing Permanent Magnets

C. Хорошилов; E. Лапханов

doi:10.15407/scine18.05.038

Автор(и)

C. Хорошилов Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0001-7648-4791
E. Лапханов Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України https://orcid.org/0000-0003-3821-9254

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine18.05.038

Ключові слова:

космічний апарат, час-періодичний регулятор, виконавчі органи з поворотними постійними магнітами

Анотація

Вступ. Електромагнітні виконавчі органи широко використовуються в системах керування космічними апаратами (КА). Ці виконавчі органи можна модифікувати, використовуючи, замість електромагнітів, поворотні постійні магніти (ВППМ) для генерації керуючого моменту. Останні споживають менше бортової електроенергії для керування
орієнтацією КА, ніж звичайні електромагніти.
Проблематика. В попередніх дослідженнях було запропоновано алгоритм орієнтації й стабілізації КА з використанням ВППМ. Для розробки алгоритму керування було застосовано підходи синтезу модальних регуляторів із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Однак такий підхід не дозволяє знайти оптимальні значення необхідних магнітних моментів, що може призвести до частого вмикання крокових двигунів ВППМ та суттєвого споживання енергії, оскільки його коефіцієнти підсилення підібрано без урахування часоперіодичних властивостей магнітного
поля Землі.
Мета. Розробка алгоритму кутової стабілізації КА з ВППМ з урахуванням часово-періодичних властивостей установки магнітного поля Землі.
Матеріали та методи. Для розробки регулятора використано розв’язок часоперіодичного рівняння Ріккаті. Для побудови моделі плану та перевірки результатів було застосовано математичне та комп’ютерне моделювання руху КА.
Результати. Розроблено часоперіодичний алгоритм керування орієнтацією КА. Врахування часово-періодичних властивостей магнітного поля Землі дозволяє оптимізувати значення необхідних магнітних керуючих моментів. Цей алгоритм мінімізує частоту спрацьовування стулок ВППМ і таким чином знижує бортове енергоспоживання.
Висновки. Розроблений алгоритм підвищує працездатність та ефективність керування орієнтацією КА шляхом використання ВППМ, часоперіодичного лінійно-квадратичного регулятора та широтно-імпульсного модулятора.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Alekseev, Yu. S., Belous, Ye. V., Belyaev, G. V. (2012). Design of control systems for objects of rocket and space technology. T. 2. Design of control systems for spacecraft and modules of orbital stations [Text]: tutorial (Eds. Yu. S. Alekseev, Yu. M. Zlatkin, V. S. Krivtsov, A. S. Kulik, V. I. Chumachenko). Kharkiv: National Aerospace University "KhAI", Scientific and Industrial Enterprise "Khartron-Arkos" [in Russian].

Alpatov, A. P. (2016). Spacecraft dynamics. Kyiv: Naukova Dumka [in Russian].

Ovchinnikov, M. Yu., Roldugin, D. S. (2019). Recent advances in the active magnetic control of satellites. Spacecraft & Technologies, 2(28), 73-86. [in Russian].

https://doi.org/10.26732/2618-7957-2019-2-73-86

Alpatov, A. P., Dranovsky, V. I., Saltykov, Yu. D., Khoroshylov, V. S. (1978). Dynamics of spacecraft with magnetic control systems: monograph (Eds. A. P. Alpatov). Moscow: Mashinostroenie [in Russian].

Wang, P., Shtessel, Y. (1999). Satellite attitude control via magnetorques using switching control laws. 14th Triennial World Congress, (Bcijing, P.R. China). Bcijing, 8021-8026. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1474667017573681 (Last accessed: 03.05.2021)

https://doi.org/10.1016/S1474-6670(17)57368-1

Torcynski, M. T., Amini, R., Massioni, P. (2010, April). Magnetorque based attitude control for a nanosatellite testplatform. AIAA Infotech@Aerospace (20-22 April 2010, Atlanta, Georgia). Atlanta, 1-9. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/207102607.pdf (Last accessed: 03.05.2021)

https://doi.org/10.2514/6.2010-3511

Sofyalı, A., Jafarov, E. M., Wisniewski, R. (2018). Robust and global attitude stabilization of magnetically actuated spacecraft through sliding mode. Aerospace Science and Technology, 76, 91-104. https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.01.022

Alpatov, A., Lapkhanov, E. (2019). The use of mobile control methods for stabilization of a spacecraft with aeromagnetic deorbiting system. System technologies, 6, 41-54. https://doi.org/10.34185/1562-9945-6-125-2019-04

Dmitrenko, V. V., Nyunt, P. W., Vlasik, K. F., Grachev, V. M., Grabchikov, S. S., Muravyev-Smirnov, S. S., Novikov, A. S., Ulin, S. E., Uteshev, Z. M., Chernysheva, I. V., Shustov, A. Y. (2015). Electromagnetic Shields Based on Multilayer Film Structures. Bulletin of the Lebedev Phys IRF Institute, 2(42), 43-47. https://doi.org/10.3103/S1068335615020037

Nyunt, P. W. (2015). A method for suppressing the influence of constant magnetic fields on the nuclear-physical and cosmophysical apparatus (PhD) (Engineer). Moscow [in Russian].

Lapkhanov, E., Khoroshylov, S. (2019). Development of the aeromagnetic space debris deorbiting system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (101)), 30-37.

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179382

Alpatov, A., Khoroshylov, S., Lapkhanov, E. (2020). Synthesizing an algorithm to control the attitude motion of SC equipped with an aeromagnetic deorbiting system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5(103)), 37- 46. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.192813

Yang, Y. (2019). SC modeling, attitude determination, and control: quaternion-based approach. Taylor & Francis Group, LLC. https://doi.org/10.1201/9780429446580

Ovchinnikov, M. Yu., Penkov, V. I., Roldugin, D. S., Pichuzhkina, A. V. (2018). Geomagnetic field models for satellite angular motion studies. Acta Astronautica, 144, 171-180. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.12.026

Fortescue, P., Stark, J., Swinerd, G. (2011). SC systems engineering. John Wiley & Sons Ltd. Chichester. https://doi.org/10.1002/9781119971009

ECSS-E-ST-10-04C. Space engineering, Space environment (2008). Noordwijk: ECSS Secretariat, ESA-ESTEC, Requirements & Standards Division, 198.

Khramov, D. A. (2015). Visual modelling spacecraft motion. Technical Mechanics, 2, 49-58.

International Geomagnetic Reference Field. NOAA. URL: https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html 32 (Last accessed 03.05.2021)

Alpatov, A. P., Khoroshylov, S. V., Maslova, A. I. (2019). Сontactless de-orbiting of space debris by the ion beam. Dynamics and control. Kyiv: Akademperiodyka, 150.

https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.383.170

Khoroshylov, S. (2018). Relative motion control system of SC for contactless space debris removal. Sci. innov., 14(4), 5-16. https://doi.org/10.15407/scine14.04.005

Khoroshilov, S. V. (2017). Synthesis of robust controller for ion beam shepherd control system. Technical Mechanics, 1, 26-39. https://doi.org/10.15407/itm2017.01.026

Dwidar, H. R., Owis, A. H. (2013). Relative Motion of Formation Flying with Elliptical Reference Orbit. International Journal of Advanced Research in Artificial Intelligence, 2(6), 79-86.

https://doi.org/10.14569/IJARAI.2013.020613

Khoroshylov, S. (2020). Relative control of an ion beam shepherd satellite in eccentric orbits. Acta Astronautica, 176, 89-98. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.027

Peng, H., Zhao, J., Wu, Z., Zhong, W. (2011). Optimal periodic controller for formation flying on libration point orbits, Acta Astronautica, 69, 537-550. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2011.04.020

Varga, A. (2008). On solving periodic Riccati equations. Numerical Linear Algebra with Applications, 15(9), 809-835. https://doi.org/10.1002/nla.604