Wissenschaftler beschreiben den Einsatz von angebundenen Dreikörper-Kettensatelliten in Umlaufbahnen mit geringer Exzentrizität

Aufgrund seiner potenziellen Vorteile wird das Tethered Satellite System (TSS) in jüngster Zeit bei Erdbeobachtungen, Weltrauminterferometrie und anderen Weltraummissionen eingesetzt. Das angebundene TSAR-System (Tomographic Synthetic Aperture Radar) ist eine Gruppe angebundener SAR-Satelliten, die schnell eingesetzt werden können und eine stabile Basis für die dreidimensionale topografische Kartierung und die Erkennung sich bewegender Ziele bieten.

Eine erfolgreiche Bereitstellung ist für angebundene TSAR-Systeme von entscheidender Bedeutung.

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Steuerungsmethoden vorgeschlagen, darunter Längen-, Längengeschwindigkeits-, Spannungs- und schubgestützte Steuerung. Unter anderem ist das Anpassen der Spannung aufgrund der starken Nichtlinearität und der unterbetätigten Eigenschaften des Halteseils ein praktikabler, aber auch anspruchsvoller Ansatz.

Aktuelle Tether-Einsatzpläne konzentrieren sich auf Zwei-Körper-TSS, wobei der Schwerpunkt kaum auf Multi-TSS liegt. In einem Forschungsartikel kürzlich veröffentlicht in Weltraum: Wissenschaft und Technologiehat ein Forschungsteam unter der Leitung von Zhongjie Meng von der Northwestern Polytechnical University eine neue Einsatzstrategie für ein angebundenes Dreikörper-Satellitensystem in Kettenform auf einer leicht exzentrischen elliptischen Umlaufbahn entwickelt.

Zunächst erstellen die Autoren das Bewegungsmodell eines 3-Körper-TSS vom Kettentyp in einer gering exzentrischen elliptischen Umlaufbahn. Es werden zwei Annahmen getroffen: (a) die Halteseile sind masselos; (b) nur die ebene Bewegung wird berücksichtigt. Das vorgeschlagene Modell besteht aus 3 Punktmassen (m1, m2 und m3) und 2 masselosen Halteseilen (L1 und L2).

Die Umlaufbahn von m1 wird durch seinen orbitalen geozentrischen Abstand r und die wahre Anomalie α definiert; die Position von m2 relativ zu m1 wird durch das Halteseil L1 und den Librationswinkel θ1 in der Ebene bestimmt; Die Position von m3 relativ zu m2 wird durch L2 und θ2 bestimmt.

Das dynamische Modell des 3-Körper-TSS wird mithilfe der Lagrange-Formulierung abgeleitet und die Bewegungsgleichungen werden in der Euler-Lagrange-Form als M(q)q̈ + C(q,q̇)q̇ + G(q) = Q mit verallgemeinerten Koordinaten ausgedrückt q = (r, α, θ1, θ2, L1, L2)T.

Da es sich beim TSS-Modell um ein typisches unterbetätigtes System handelt, werden die verallgemeinerten Koordinaten in zwei Teile zerlegt, nämlich die betätigten Konfigurationsvektoren (qa = (L1, L2)T) und die unbetätigten Konfigurationsvektoren (qua = (r, α, θ1). , θ2)T).

Anschließend stellen die Autoren ein neuartiges Einsatzschema für das 3-Körper-TSS vom Kettentyp vor. Um Kollisionen zu vermeiden, wird eine sequenzielle Einsatzstrategie eingesetzt, bei der die Satelliten einzeln ausgeworfen werden. Diese Methode nutzt direkt die Einsatztechniken für ein Zweikörpersystem. Der Wiederholungssatz von Poincaré, die Poisson-Stabilität und die Lie-Algebra-Rangbedingung (LARC) werden verwendet, um die Steuerbarkeit eines unterbetätigten TSS-Systems zu analysieren.

Eine Kombination aus exponentiellem und einheitlichem Einsatzgesetz ergibt ein einfaches und effizientes Einsatzschema, das die erforderliche Referenzflugbahn für den Satelliteneinsatz bereitstellt. Während des Entfaltungsvorgangs muss aufgrund der charakteristischen Halteleine eine positive Spannung gewährleistet sein und zur Vermeidung eines Bruchs der Halteleine darf die Spannung die vorgegebenen Grenzen nicht überschreiten.

Der Auslösevorgang kann auf eine unterbetätigte Steuerung mit eingeschränkten Steuereingaben vereinfacht werden. Um dieser Einschränkung zu begegnen, wurde ein hierarchischer Sliding Mode Controller (HSMC) für die genaue Verfolgung der Flugbahn entwickelt. Im Controller ist ein Hilfssystem eingeführt, um die Eingangssättigung zu mildern, die durch die Spannungsbeschränkung des Halteseils verursacht wird. Es wird eine 3-schichtige Gleitfläche für das gesamte TSS aufgebaut. Ein Störungsbeobachter (DO) wird eingeführt, um das zweite Ableitungssignal q̈ abzuschätzen.

Die Unsicherheit der Gleitfläche und ihre zeitliche Ableitung für die Umlaufbahnbewegung (r,α) werden durch einen auf dem Gleitmodus basierenden robusten Differenzierer geschätzt.

Abschließend stellen die Autoren die numerische Simulation vor und ziehen ihr Fazit. Um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Einsatzschemas (gekennzeichnet als Schema 3) zu überprüfen, werden zwei alternative Einsatzschemata zum Vergleich herangezogen. In Schema 1 wird das System als 2 unabhängige 2-Körper betrachtet, bei denen die Halteseillänge L2 konstant bleibt und nur die Spannung T1 einstellbar ist. In Schema 2 wird das System als zwei Zweikörper betrachtet, die Kopplung zwischen benachbarten Halteseilen wird jedoch vernachlässigt.

Das heißt, der Haltegurt L1 beeinflusst nur den Winkel θ1 und L2 nur den Winkel θ2. In den Schemata 1 und 2 wird der Deployment Controller aus der Literatur übernommen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Tether-Entfaltungsfehler und der Librationswinkel unter Schema 3 in 3 Stunden (etwas mehr als einer Umlaufzeit) asymptotisch gegen Null konvergieren und der Entfaltungsfehler unter den Schemata 1 und 2 deutlich größer ist als der unter dem vorgeschlagenen Schema 3 .

Es wird ein Vergleich zwischen den Schemata 2 und 3 durchgeführt, der auf der Integration von Tracking Error und Halteseilspannung basiert. Im Vergleich zu Schema 2 berücksichtigt das vorgeschlagene HSMC explizit das 3-Körper-TSS-Paar, was zu einer schnelleren und genaueren Bereitstellung des Halteseils mit einem kleineren Winkel in der Ebene führt, was weiter zeigt, dass mit dem vorgeschlagenen Schema ein erheblich verbesserter Bereitstellungsprozess erreicht wird und bestätigt die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Einsatzplans.