Динамика космических систем

Срок выполнения: апрель 2017 – декабрь 2019

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

Руководитель – к.ф.-м.н. Д.С. Иванов

Аннотация

      В развитии орбитальных технических средств, предназначенных для исследования космического пространства и его использования в народно-хозяйственных интересах, можно выделить два основных тренда. Это миниатюризация технологической базы и резкое сокращение финансирования. В результате возник новый класс космических аппаратов – малые спутники. Речь идет об аппаратах массой от десятков до единиц килограммов, а иногда даже всего нескольких сотен граммов. С другой стороны, все большее усложнение подходов и методов к решению фундаментальных и прикладных проблем освоения космического пространства зачастую приводит к необходимости создавать распределенные космические системы. В этом случае несколько спутников, объединенных в систему и летящих на относительно небольшом удалении друг от друга, одновременно работают над решением общей задачи. Использование малых спутников в подобных проектах является наиболее естественным, а зачастую и единственно возможным. 

      Малым спутникам, условно подразделяемые на микро-, нано- пикоспутники, присущи весьма жесткие ограничения по массе, размерам, энергетике, вычислительным мощностям и составу оборудования системы управления. Они приводят к усложнению основных задач, решаемых на начальном этапе конструирования миссии – выбору структуры космической системы и схем управления ею с учетом указанных ограничений. Построение многоэлементных спутниковых систем (формаций) требует специализированных динамических моделей, особых алгоритмов идентификации текущего фазового состояния и управления орбитальным и угловым движением аппаратов, что вызвано указанными выше стесненными возможностями. Именно этим обусловлена новизна предлагаемого проекта.

      В проекте будут созданы и исследованы динамические модели, алгоритмы построения, поддержания, реконфигурации формаций, определения и управления поступательным и угловым движением малых спутников в составе формаций с учетом специфики многоэлементных систем и ограничений каждого аппарата по возможностям идентификации и управления. Многоэлементные системы будут рассмотрены и исследованы для разной структуры системы, включая формацию, кластер и рой спутников, различающихся иерархией управления. Верификация моделей и алгоритмов будет выполнена с использованием ранее созданного коллективом программного инструментария. Тестирование моделей и алгоритмов планируется выполнить на уникальном стендовом оборудовании, введенном в действие в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН в 2015 году усилиями авторов настоящего проекта. Новое оборудование позволяет в реальном масштабе времени имитировать относительное вращательно-поступательное движение нескольких макетов аппаратов.

Основные результаты проекта:

      В рамках настоящего проекта РФФИ коллектив разработал и исследовал ряд подходов и алгоритмов управления движением группы спутников. В частности, была рассмотрена возможность использования перспективных бестопливных систем управления на основе аэродинамических сил и сил светового давления для достижения требуемого относительного движения. Разработан алгоритм управления с учетом небольшой по величине "подъемной" составляющей аэродинамической силы, благодаря которой можно управлять относительным движением группы спутников как в плоскости, так и перпендикулярно плоскости орбиты с помощью изменения ориентации панелей солнечных батарей относительно набегающего потока. Этот алгоритм применен для задачи формирования требуемого пиксельного изображения, составленного из микроспутников с солнечными отражателями на низкой околоземной орбите, которое возможно будет наблюдать невооруженным глазом с поверхности Земли при соответствующих условиях видимости и освещения.

      Исследовано относительное движение четырех аппаратов под действием аэродинамического управления для достижения тетраэдральной конфигурации, требуемой для исследования параметров магнитосферы. Для высокоэллиптических орбит предполагалось, что один из четырех аппаратов оснащен двигательной установкой, остальные двигаются пассивно. Была предложена схема управления на основе решения оптимизационной задачи, увеличивающая время жизни миссии при минимизации топливных затрат с учетом пассивной динамики относительного движения.

      Рассмотрена задача формирования роя наноспутников с учетом коммуникационных ограничений на низких орбитах. Для реализации их углового движения относительно набегающего потока используется активная магнитная система ориентации. Показано, что с помощью разницы действующих на аппараты сил аэродинамического сопротивления возможно остановить относительный дрейф, а также управлять плотностью распределения аппаратов вдоль трансверсали на основе децентрализованных алгоритмов.

      Разработаны алгоритмы для одновременного управления относительным движением и ориентацией группы спутников с солнечными парусами с переменной отражательной способностью.

      В лаборатории ИПМ были проведены исследования алгоритмов управления относительного движения макетов микроспутников на аэродинамическом столе. Было предложено адаптивное управление, позволяющее учесть возмущения, действующие на макет, и тем самым улучшить точность движения макетов по опорной траектории.

Публикации по теме проекта:

Danil Ivanov, Uliana Monakhova, and Mikhail Ovchinnikov
Nanosatellites Swarm Deployment Using Decentralized Differential Drag-Based Control with Communicational Constraints // Acta Astronautica, 2019, Vol. 159, pp. 646-657. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.02.006

Danil Ivanov, Shamil Biktimirov, Kirill Chernov, Alexander Kharlan, Uliana Monakhova, and Dmitry Pritykin
Writing with Sunlight: CubeSat Formation Flying Control Using Aerodynamic Forces // Proceedings of International Astronautical Congress, 21-25 October 2019, Washington, USA. Paper IAC-19.B4.IP.4, 10 p.

Danil Ivanov, Uliana Monakhova, and Dmitry Roldugin
Decentralized Control of Nanosatellites Spatial Distribution in the Swarm in LEO Using Magnetorquers // Proceedings of 10th International Workshop on Satellite Constellations and Formation Flying, Glasgow, Scotland, 16-19 July 2019, Paper IWSCFF 19-45, 19 p.

Yaroslav Mashtakov, Mikhail Ovchinnikov, Tatyana Petrova, and Stepan Tkachev
Formation Flight Relative Motion Control Using Solar Sail // Proceedings of 10th International Workshop on Satellite Constellations and Formation Flying, Glasgow, Scotland, 16-19 July 2019, Paper IWSCFF 19-46, 16 p.

Danil Ivanov, Maxim Kushniruk, and Mikhail Ovchinnikov
Study of Satellite Formation Flying Control Using Differential Lift and Drag // Acta Astronautica, 2018, Vol. 152,
pp. 88-100. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.07.047

Uliana Monakhova, Danil Ivanov, and Dmitry Roldugin
Magnetorquers Attitude Control for Differential Aerodynamic Force Application to Nanosatellite Formation Flying Construction and Maintenance // Proceedings of IAA SciTech Forum, 13-15 November 2018, Moscow, 13 p.

Danil Ivanov, Mikhail Mogilevsky, Uliana Monakhova, Mikhail Ovchinnikov, and Alexander Chernyshov
Deployment and Maintenance of Nanosatellite Tetrahedral Formation Flying Using Aerodynamic Forces // Proceedings of International Astronautical Congress, 1-5 October 2018, Bremen, Germany, Paper IAC-18-B4.7.6, 11 p.

Yaroslav Mashtakov, Mikhail Ovchinnikov, Tatyana Petrova, and Stepan Tkachev
Attitude and Relative Motion Control of Satellites in Formation Flying via Solar Sail with Variable Reflectivity Properties // Proceedings of International Astronautical Congress, 1-5 October 2018, Bremen, Germany, Paper IAC-18-C1.5.7, 8 p.

Мikhail Koptev, Sergey Trofimov, Sergey Shestakov, and Yaroslav Mashtakov
Design and Keeping of Nanosatellite-Based Highly Elliptical Orbit Formation // Advances in Astronautical Sciences, 2018, Vol. 161, pp. 1097-1109.

Монахова У.В., Иванов Д.С.
Формирование роя наноспутников с помощью децентрализованного аэродинамического управления с учетом коммуникационных ограничений // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2018, № 151, 32 c.

Назад к списку грантов РНФ и РФФИ