فناوری در مهندسی هوافضا

فناوری در مهندسی هوافضا

کنترل پیش‌بین مقاوم جهت حفظ مداری ماهواره با استفاده از رانش‌گرهای اثر هال

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، پژوهشکده رانشگرهای فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تبریز، ایران
2 استادیار، پژوهشکده رانشگرهای فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تبریز، ایران
چکیده
در این مقاله، کنترل‌­کننده پیش­بین مقاوم جهت عملیات حفظ مداری ماهواره در مدار ارتفاع پایین در حضور اغتشاشات و نامعینی‌­ها طراحی گردیده‌است. سیستم کنترل طراحی شده این امکان را ایجاد می­‌کند که ماهواره به صورت خودکار و بدون دخالت ایستگاه زمینی، پارامترهای مداری را در محدوده مجاز نگاه دارد. برای این منظور، رانش­گرهای اثر هال که در زمره رانش­گرهای الکتریکی دارای اندازه کوچک محسوب می‌­گردند، بکار گرفته شده و خروجی کنترل­‌کننده با فرمان­دهی پیوسته به این رانش­گرها به جای الگوریتم‌­های تولید پیشرانه ضرب‌ه­ای سنتی پیاده‌­سازی شده‌است. بر این اساس امکان اصلاح همزمان کلیه پارامترهای مداری فراهم گردیده‌است. در راهکار ارائه شده، بهره کنترل‌­کننده به شکل روی خط و از حل یک مسئله بهینه­‌سازی که تابع هزینه آن حداقل­‌سازی خطای حفظ مداری و همچنین مصرف سوخت در نظر گرفته شده، محاسبه می­‌شود. همچنین مسأله بهینه‌­سازی مبتنی بر نابرابری‌­های ماتریسی خطی جهت تضمین پایداری سیستم حلقه بسته و مقاوم بودن  در برابر اغتشاشات مداری و نامعینی‌­های پارامتری ناشناخته توسعه داده شده است. در انتها، شبیه­‌سازی­‌های عددی، اثرگذاری کنترل‌­کننده پیشنهادی و کارآیی بالای سیستم حلقه بسته با وجود نامعینی­‌ها و اغتشاشات را نشان می­‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Robust Model Predictive Control for Satellite Orbit Maintenance Using Hall Effect Thrusters

نویسندگان English

Masumeh kiantaj 1
Morteza Farhid 2
Moharram Shameli 2
1 Ph. D. Student, Space Thrusters Research Institute, Iranian Space Research Center, Tabriz, Iran
2 Assistant Professor, Space Thrusters Research Institute, Iranian Space Research Center, Tabriz, Iran
چکیده English

In this article, a robust model predictive controller is designed for maintaining the satellite's low earth orbit in the presence of perturbations and uncertainties. The designed control system makes it possible for the satellite to automatically keep the orbital parameters within the allowed range without intervention of the ground station. For this purpose, Hall effect thrusters, which are among the electric thrusters with small size, have been used, and the output of the controller is implemented by continuously commanding these thrusters instead of the traditional impulsive thrust generation algorithms. Based on this, it is possible to modify all orbital parameters simultaneously. In the presented solution, the gain of the controller is calculated online by solving an optimization problem whose objective is to minimize the orbit maintenance error and also the fuel consumption. Also, the optimization problem based on linear matrix inequalities has been developed to ensure the stability of the closed loop system and to be robust against orbital perturbations and unknown parametric uncertainties. Finally, numerical simulations show the effectiveness of the proposed control scheme and the high efficiency of the closed loop system despite uncertainties and perturbations.

کلیدواژه‌ها English

Orbit Maintenance
Predictive
Robust
Hall Effect Thruster
Disturbance
Uncertainty
1]   D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 2nd ed. Springer Netherlands, 2001.
[2] M. Tavakoli and N. Assadian, "Model predictive orbit control of a Low Earth Orbit satellite using Gauss’s variational equations," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 228, no. 13, pp. 2385-2398, 2014,          https://libgen.li/edition.php?id=34561840.
[3] D. O’Reilly, G. Herdrich, and D. F. Kavanagh, "Electric propulsion methods for small satellites: A review," Aerospace, vol. 8, no. 1, 2021, Art. no. 22,           https://doi.org/10.3390/aerospace8010022.
[4] S. De Florio, S. D’Amico, and G. Radice, "Virtual formation method for precise autonomous absolute orbit control," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 37, no. 2, pp. 425-438, 2014,  https://doi.org/10.2514/1.61575.
[5] A. Weiss, U. V. Kalabić, and S. Di Cairano, "Station keeping and momentum management of low-thrust satellites using MPC," Aerospace Science and Technology, vol. 76, pp. 229-241, 2018,    https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.02.014.
[6] M. Leomanni, A. Garulli, A. Giannitrapani, and F. Scortecci, "An adaptive groundtrack maintenance scheme for spacecraft with electric propulsion," Acta Astronautica, vol. 167, pp. 460-466, 2020,             https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.11.035.
[7] M. J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control: A Practical Engineering Approach, Cambridge university press, 1997.
[8] C. He et al., "Review and comparison of empirical thermospheric mass density models," Progress in Aerospace Sciences, vol. 103, pp. 31-51, 2018,             https://libgen.li/edition.php?id=79029893.
[9] J. R. Wertz, Spacecraft Attitude Determination and Control, Kluwer Academic Publishers, 2012.
[10]         B. CE, "International geomagnetic reference field: The seventh generation," Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, vol. 49, no. 2-3, pp. 123-148, 1997,  https://libgen.li/edition.php?id=76265458.
[11]  A. A. Ozdemir, P. Seiler, and G. J. Balas, "Design tradeoffs of wind turbine preview control," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 21, no. 4, pp. 1143-1154, 2013,              https://libgen.li/edition.php?id=32576377.
[12]         K. Zhou and J. C. Doyle, Essentials of Robust Control, Kemin Zhou, John Comstock Doyle, 1998.
[13]  P. Micheau, "Orbit control techniques for LEO satellites, " Spaceflight Dynamics, Vol. 1, Cepadues-Editions, Toulouse, France, 739–902, 1995
[14]  S. Liu, Y. Sang, and H. Jin, "Robust model predictive control for stratospheric airships using LPV design," Control Engineering Practice, vol. 81, pp. 231-243, 2018, https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2018.09.007.

  • تاریخ دریافت 06 شهریور 1402
  • تاریخ بازنگری 07 آذر 1402
  • تاریخ پذیرش 19 آذر 1402
  • تاریخ اولین انتشار 19 آذر 1402