Nichtkooporativ sind Raumfahrzeuge, die ihre Kontrolle in einem oder mehreren Freiheitsgraden verloren haben und keine Informationen über ihre Position, Lage oder geschwindigkeiten übermitteln können, um einen RVD/B Prozess zu erleichtern. Ein wachsender Bereich in der Weltraumforschung ist die Entwicklung von OOS-Technologie, welche in der Lage ist, mit diesen Raumfahrzeugen, genannt "Zielen", umzugehen und sie zu warten, obwohl diese nicht dafür gebaut worden sind, Zur Ausführung von verschiedenen Dienstleistungen im Orbit, wie Reparatur, Tanken oder Entfernung des Ziels aus dem Orbit, sollte das Chaser Raumschiff mir anspruchsvoller RVD/B-Technologie für Formationsflug und Docking Operationen ausgestattet sein. Unter der Annahme, dass die eigentlichen Docking Operationen mit dein Ziel durch ein geeignetes Manipulator System an Bord des Chaser durchgeführt werden, stützt sich diese Studie auf bewährte Technologien und umreißt die Guidance and Control Methoden während des Rendezvous in der letzten Stufe der Annäherung an elas Ziol. Das Einsatzgebiet des Chaser kann nach dem Phasing ab einem Abstand von ca. 5 km in ± V-bar Richtung vom Ziel definiert werden. Zum Ausgleich von Fehlern in der Modellierung, Navigation oder Durchführung, sind die Nahbereichoperationen ab dem Beginn des Einsatzgebietes in drei verschiedene Teilphasen zerlegt: Anflug aus großem Abstand, Inspektion oder Umfliegen des Ziels und Anflug im Nahbereich. Ab dem Beginn des Arbeitsgebietes und entlang des Weges des Chaser, sind zwei Haltepunkte definiert: der erste, um eine Inspektion durchzuführen und der zweite die in der Nähe der Sicherheitszone um das Ziel, um die Erfassung des Ziels einzuleiten. Es wird angenommen, dass der Chaser Station-Keepiug-Mauöver am zweiten Haltepunkt durchführt, bis die Anfangsbedingungen für die Erfassung des Ziels erfüllt sind. Mögliche Szenarien in Bezug auf das Verhalten des Ziels in einer kreisförmigen Umlaufbahn werden betrachtet und Guidance Methoden für die verschiedenen Teilphasen werden vorgestellt. Hierbei wird unter Anderem eine Kombination aus HCW. elliptischem Umfliegen, und dem Glideslope Algorithmus verwendet. Relativ-Regler werden sowohl für die Position als auch Lage des Chaser vorgestellt. Ein LQ-Regler für die relative Position und ein PID Regler für die relative Lage, mit Einschränkung der Winkelgeschwindigkeit, wurden gewählt, um dem Fehler gering zu halten und positions- und Lage-Synchronisation mit dem nicht-kooperativen Ziel zu erreichen. Eine vergleichende Analyse zwischen verschiedenen Guidianco Bahnen für wichtige Parameter wie Zeit, Kraftstoffverbrauch, minimalen absoluter Abstand und die maximale radiale Entfernung zum Ziel, wird vorgestellt. Zur Überprüfung der vorgeschlagenen Guidance and Control Verfahren werden zwei Fallstudien durchgeführt: die erste Studie beinhaltet ein stabilisiertes Ziel im geostationären Orbit, und die zweite ein sich drehendes Ziel im niedrigen Erdorbit. Die hier vorgestellten Methoden sind allgemein gültig und stellen einen Simulator/Vorhersage für den Chaser zur Analyse von Rendezvous Manövern mit nichtkooperativen Zielen dar. Um RVD/B zu erreichen, erörtert die Studie1 eine sorgfältige Kombination von Guidance Lösungen für die verschiedenen Phasen der Annäherung und für verschiedene Ziele, denen sich der Chaser annähert.

    Non-cooperative spacecrafts arc those current or future assets in orbit which have lost their control authority in one or more degrees of freedom and cannot convey any information concerning their position, attitude1 or rates to facilitate Rendezvous and Docking/Berthing (RVD/B) process. A growing field of study in space research is to develop On-Orbit Servicing (OC)S) technology capable of dealing with these spacecrafts, called targets, which are designed without any intention to be serviced. To render services such as repair, refuel or removal of the target from orbit, the chaser spacecraft should exhibit sophisticated RVD/B technology for formation fly and final stage docking/berthing operations of the mission. Assuming that the terminal capture operations of the target are to be performed by a suitable manipulator system on-board chaser, this study relies upon proven technology and outlines guidance and control methodologies to achieve rendezvous during proximity phases. The entry gate of chaser after phasing can be defined at a distance of about 5 km in ± V-bar direction from the target in its orbit. To account for errors in modeling, navigation or actuation, proximity range operations from the entry gate are decomposed into three different subphases as far range, inspection or fly around and closer approach. From the entry gate and along the path of the chaser two hold points are defined: first to initiate an inspection and the second, which is close to the safe zone defined around the target, to initiate a capture. The chaser is assumed to perform a station keeping maneuver at the second hold point until initial conditions for the capture are met. Possible scenarios pertaining to the behavior of the target in a circular orbit are considered and guidance schemes for different subphases are presented using a combination of Hill-Clohessy-Willtshire (HCW) solution, elliptical fly around, glideslope algorithm etc. Relative controllers both for position and attitude of the chaser are also presented. A Linear Quadratic (LQ) controller for relative position and a Proportional Integral Derivative1 (PID) controller for relative attitude1 with angular velocity constraints are chosen to track down the error to achieve1 rendezvous and attitude synchronization with the non-cooperative target. A comparative analysis between different guidance trajectories for important, parameters such as time, fuel usage, minimum absolute distance and the maximum radial distance1 from the target is presented. Verification of the proposed guidance and control methods is done by applying them to two different case1 studies: the first study incorporating a stabilized target in Geostationary Earth Orbit (GEO) and the second, with a spinning target in Low Earth Orbit (LEO). The methods presented here are general and provide a simulator to the chaser to perform rendezvous analysis with non-cooperative targets. To achieve RVD/B, the study proposes a careful combination e)f guidance solutions for different phases of proximity operations, and for different scenario's of the target encountered by the chaser.


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    Title :

    Guidance and control of a spacecraft to rendezvous and dock with a non-cooperative target


    Additional title:

    Führung und Reglung eines Raumfahrzeuges für die Begegnung und das Andocken an ein nicht kooperatives Ziel


    Contributors:

    Publication date :

    2011


    Size :

    206 Seiten, Bilder, Tabellen, 91 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English