Оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки

Для иллюстрации методики учета изопериметрических ограничений рассмотрим задачу выбора алгоритма оптимального управления, обеспечивающего перевод стационарного искусствен­ного спутника Земли (СИСЗ) из одной точки орбиты в другую с требуемой точностью при минимальных энергетических затратах [19].

Под СИСЗ понимается ИСЗ, двигающийся в направлении вра­щения Земли по экваториальной круговой орбите с периодом об­ращения, равным периоду собственного вращения Земли. Для на­блюдателя, находящегося на Земле, такой спутник будет казаться неподвижным.

Перевод спутника предполагается осуществлять с использова­нием корректирующей двигательной установки (КДУ) большой тя­ги, позволяющей реализовать корректирующие импульсы скорости практически мгновенно. В начальный момент i=0 к СИСЗ прикла­дывается по касательной к траектории некоторый импульс скорости, в результате чего орбита движения СИСЗ становится эллиптиче­ской. Возникшая разница в периодах обращения по эллиптической и первоначальной круговой орбитам приводит к дрейфу, т. е. види­мому для земного наблюдателя смещению. Дальнейшие корректи­рующие импульсы прикладываются в моменты прохождения спут­ником точек апогея (перигея) оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru и предназначаются для постепенной ликвидации дрейфа к последнему моменту N + 1 при ус­ловии обеспечения требуемой конечной точности перевода.

Введем обозначения: оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — текущее угловое расстояние между i -прохождением через апогей (перигей) и требуемым положением; оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — угловая скорость дрейфа в i -й момент прохождения апогея, измеряемая угловым смещением СИСЗ за один оборот; оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — величи­на i -гo корректирующего импульса, пересчитанная в скорость дрейфа; оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — случайный коэффициент с дисперсией оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , характеризующий разброс i-ro корректирующего импульса. Тогда математическая мо­дель процесса перевода может быть представлена в виде следую- щей системы конечно-разностных уравнений:

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

или в матричном виде

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

где

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

По условию задачи считается, что оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — некоторая извест­ная величина.

В качестве характеристики конечной точности примем величину

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

где оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — математическое ожидание (среднее значение) параметра оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru эллипса

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

характеризующего область допустимых конечных разбросов в мо­мент N+1 в пространстве оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru . Если К — единичная матрица, то оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru является квадратом радиуса окружности рассеивания, а величина оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru — соответственно вторым моментом этого радиуса. Если кроме того допустить, что математическое ожидание вектора оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru равно нулю, то величина оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru будет характеризовать просто дисперсию ра­диуса рассеивания.

В процессе перевода требуется обеспечить выполнение условия

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

где оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru заданная величина.

Энергетические затраты, подлежащие минимизации, оценим ве­личиной

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

В соответствии с изложенной методикой алгоритм оптимальной коррекции оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru может быть найден с помощью рекуррентного со­отношения (5.28), которое в данном случае принимает вид

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

при условии

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

В соответствии с выражениями (5.13) — (5.17) устанавливаем, что для функции будущих потерь оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru имеет место формула

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

где матрица Λi определяется с помощью рекуррентного соотноше­ния

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

при граничном условии

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Здесь оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Алгоритм оптимального управления имеет вид

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Полученные соотношения могут быть расписаны и в скалярном виде:

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Где

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

при граничных условиях

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Для определения множителя оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru установим зависимость оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru . С этой целью обратимся к рекуррентному соотношению (5.26)

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

с граничным условием (5.27)

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Нетрудно установить, что функция оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , как и функция оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , в любой момент может быть представлена в виде квадра­тичной формы

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Действительно, полагая, что последнее справедливо для момента i+1, т. е.

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

из рекуррентного соотношения для оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru находим

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

причем матрица оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru связана следующим рекуррентным соотношени­ем с матрицей оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru :

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

где оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Граничное условие для оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru имеет вид

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Полученные формулы в скалярном виде имеют вид

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Так как начальное положение СИСЗ известно, причем х20=0, то полагая i = 0 в оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , получаем оценку конечной точности

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Зависимость оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru проявляется через параметр (Λ111) 0, кото­рый, в свою очередь, зависит от множителя оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru . Проанализируем те­перь уравнение

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

определяющее неизвестный множитель а. Можно выделить следую­щие случаи: оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Последний случай не представляет практического интереса, так как свидетельствует о невозможности удовлетворения конечным требованиям ни при каком оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru .

Первый случай фактически соответствует решению не исходной задачи по минимизации энергетических затрат, а задачи, связанной с достижением наилучшей конечной точности. Очевидно, если вели­чина оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , полученная в результате такого решения, окажется более заданной, оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , то решение исходной задачи не су­ществует. В связи с этим данный случай имеет важное значение.

С одной стороны, он дает ответ на вопрос, существует ли вообще ре­шение исходной задачи (если оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , то решение существу­ет, если оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru , то не существует). С другой стороны, он дает представление о предельно достижимой конечной точности.

При условии существования решения можно перейти к рассмот­рению второго случая, который будет основным. Искомое значение множителя оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru теперь определяется как положительный корень урав­нения

оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru

Это уравнение можно решить графически, построив зависимость оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru при оптимальное управление стационарным спутником с использованием импульсной корректирующей двигательной установки - student2.ru . Результаты численного решения данной задачи для различных исходных представлены в работе [19].

Наши рекомендации