Математические модели углового движения космических аппаратов и их использование в задачах управления ориентацией

Abstract

Предложена общая структура кинематических уравнений эволюции ориентации космического аппарата (КА) (системы координат, связанной с КА (ЗСК)) относительно опорной системы координат (ОСК). Предполагается, что начала систем координат совпадают и расположены в произвольной точке КА. Каждая из систем координат оборачивается произвольной абсолютной угловой скоростью (скоростью относительно инерциального пространства), заданной проекциями на их оси. В качестве параметров ориентации могут использоваться углы Эйлера-Крылова, параметры Родрига-Гамильтона, модифицированные параметры Родри-га. Показано, что известные представления уравнений эволюции ориентации ССК относительно ОСК в параметрах Родрига-Гамильтона (компонентах нормируемых кватернионов) могут быть получены из решения задачи Н.П. Ерюгина — отыскание всего множества дифференциальных уравнений, имеющих заданный интеграл движения. Отмечены преимущества и недостатки использования каждого из указанных параметров ориентации. Предложен общий для всех этих уравнений метод синтеза управления ориентацией, основанный на декомпозиции исходной задачи на кинематическую и динамическую задачи и использовании известных обобщений прямого метода Ляпунова для их решения. С помощью компьютерного моделирования проиллюстрировано свойство структурной грубости в смысле А.А. Андронова-Л.С. Понтрягина полученного алгоритма. А именно, на конкретном примере проиллюстрирована свойство даже намеренно структурно упрощенного алгоритма стабилизации заданной постоянной ориентации КА с достаточной точностью отслеживать программу ее изменения. Задача наблюдения типична в управлении стыковкой КА, спуском КА с орбиты, выполнении маршрутных съемок поверхности Земли.