Cite this article as:
Pankratov I. A., Chelnokov Y. N., Sapunkov Y. G. Quaternion Models and Algorithms for Solving the General Problem of Optimal Reorientation of Spacecraft Orbit. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Math. Mech. Inform., 2020, vol. 20, iss. 1, pp. 93-104. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-1-93-104
Quaternion Models and Algorithms for Solving the General Problem of Optimal Reorientation of Spacecraft Orbit
The problem of optimal reorientation of the spacecraft orbit is considered in quaternion formulation. Control (vector of the acceleration of the jet thrust) is limited in magnitude. To solve the problem it is required to determine the optimal orientation of this vector in space. It is necessary to minimize the duration of the process of reorientation of the spacecraft orbit. To describe the motion of the center of mass of the spacecraft we used quaternion differential equation of the orientation of the spacecraft orbit. The problem was solved using the maximum principle of L. S. Pontryagin. Accounting the known particular solution of the equation for the variable conjugated to a true anomaly, we allowed to simplify the equations of the problem. The problem of optimal reorientation of the spacecraft orbit is reduced to a boundary value problem with a moving right end trajectory described by a system of nonlinear differential equations of the fifteenth order. For the numericalsolution of the obtained boundary value problem the transition to dimensionless variables was carried out. At the same time a characteristic dimensionless parameter of the problem appeared in the phase and conjugate equations. The original numerical algorithm for finding unknown initial values of conjugate variables, which is a combination of the 4th order Runge –Kutta method, modified Newton method and gradient descent method is constructed. The use of two methods for solving boundary value problems has improved the accuracy of the boundary value problem solution of optimal control. Examples of numerical solution of the problem are given for the case when the difference between the initial and final orientations of the spacecraft orbit equals to a few (or tens of) degrees in angular measure. Graphs of component changes of the spacecraft orbit orientation quaternion; variables characterizing the shape and dimensions of the spacecraft orbit; optimal control are plotted. The analysis of the obtained solutions is given. The features and regularities of the optimal reorientation of the spacecraft orbit are established.
- Челноков Ю. Н. Применение кватернионов в задачах оптимального управления движением центра масс космического аппарата в ньютоновском гравитационном поле. II // Космические исследования. 2003. Т. 41, № 1. С. 92–107.
- Абалакин В. К., Аксенов Е. П., Гребенников Е. А., Демин В. Г., Рябов Ю. А. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. М. : Наука, 1976. 864 с.
- Дубошин Г. Н. Небесная механика. Основные задачи и методы. М. : Наука, 1968. 799 с.
- Панкратов И. А., Сапунков Я. Г., Челноков Ю. Н. Об одной задаче оптимальной переориентации орбиты космического аппарата // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2012. Т. 12, вып. 3. С. 87–95. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2012-12-3-87-95
- Панкратов И. А., Сапунков Я. Г., Челноков Ю. Н. Решение задачи оптимальной переориентации орбиты космического аппарата с использованием кватернионных уравнений ориентации орбитальной системы координат // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2013. Т. 13, вып. 1, ч. 1. С. 84–92. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2013-13-1-1-84-92
- Кирпичников С. Н., Бобкова А. Н., Оськина Ю. В. Минимальные по времени импульсные перелеты между круговыми компланарными орбитами // Космические исследования. 1991. Т. 29, № 3. С. 367–374.
- Григорьев И. С., Григорьев К. Г., Петрикова Ю. Д. О наискорейших маневрах космического аппарата с реактивным двигателем большой ограниченной тяги в гравитационном поле в вакууме // Космические исследования. 2000. Т. 38, № 2. С. 171–192.
- Kiforenko B. M., Pasechnik Z. V., Kyrychenko S. B., Vasiliev I. Yu. Minimum time transfers of a low-thrust rocket in strong gravity fields // Acta Astronautica. 2003. Vol. 52, iss. 8. P. 601–611. DOI: https://doi.org/10.1016/S0094-5765(02)00130-3
- Fazelzadeh S. A., Varzandian G. A. Minimum-time earth-moon and moon-earth orbital maneuevers using time-domain finite element method // Acta Astronautica. 2010. Vol. 66, iss. 3–4. P. 528–538. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2009.07.021
- Григорьев К. Г., Федына А. В. Оптимальные перелеты космического аппарата с реактивным двигателем большой ограниченной тяги между компланарными круговыми орбитами // Космические исследования. 1995. Т. 33, № 4. С. 403–416.
- Рыжов С. Ю., Григорьев И. С. К проблеме решения задач оптимизации многовитковых траекторий межорбитальных перелетов КА // Космические исследования. 2006. Т. 44, № 3. С. 272–280.
- Григорьев И. С., Григорьев К. Г. Об использовании решений задач оптимизации траекторий КА импульсной постановки при решении задач оптимального управления траекториями КА с реактивным двигателем ограниченной тяги. I // Космические исследования. 2007. Т. 45, № 4. С. 358–366.
- Григорьев И. С., Григорьев К. Г. Об использовании решений задач оптимизации траекторий КА импульсной постановки при решении задач оптимального управления траекториями КА с реактивным двигателем ограниченной тяги. II // Космические исследования. 2007. Т. 45, № 6. С. 553–563.
- Кирпичников С. Н., Бобкова А. Н. Оптимальные импульсные межорбитальные перелеты с аэродинамическими маневрами // Космические исследования. 1992. Т. 30, № 6. С. 800–809.
- Кирпичников С. Н., Кулешова Л. А., Костина Ю. Л. Качественные свойства энергетически оптимальных орбит импульсных полетов между круговыми компланарными орбитами при заданном времени старта // Космические исследования. 1996. Т. 34, № 2. С. 170–179.
- Condurache D., Martinusi V. Quaternionic Exact Solution to the Relative Orbital Motion Problem // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2010. Vol. 33, № 4. P. 1035–1047. DOI: https://doi.org/10.2514/1.47782
- Condurache D., Burlacu A. Onboard Exact Solution to the Full-Body Relative Orbital Motion Problem // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2016. Vol. 39, № 12. P. 2638–2648. DOI: https://doi.org/10.2514/1.G000316
- Ишков С. А., Романенко В. А. Формирование и коррекция высокоэллиптической орбиты спутника Земли с двигателем малой тяги // Космические исследования. 1997. Т. 35, № 3. С. 287–296.
- Салмин В. В., Соколов В. О. Приближенный расчет маневров формирования орбиты спутника Земли с двигателем малой тяги // Космические исследования. 1991. Т. 29, № 6. С. 872–888. 20. Афанасьева Ю. В., Челноков Ю. Н. Задача оптимального управления ориентацией орбиты космического аппарата как деформируемой фигуры // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2008. № 4. С. 125–138. 21. Понтрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М. : Наука, 1983. 393 с.
- Моисеев Н. Н. Численные методы в теории оптимальных систем. М. : Наука, 1971. 424 с.
- Челноков Ю. Н. Применение кватернионов в задачах оптимального управления движением центра масс космического аппарата в ньютоновском гравитационном поле. III // Космические исследования. 2003. Т. 41, № 5. С. 488–505.
- Бордовицына Т. В. Современные численные методы в задачах небесной механики. М. : Наука, 1984. 136 с.