JP7499952B2 - 完全制御障害の場合のフェイルセーフな走行体ランデブー - Google Patents
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Description
1)フェーズ1:AEについての受動安全性。
2)フェーズ2:KOEについての受動安全性。
3)フェーズ3:安全性なし、最終アプローチ。
特徴
定義
・円の場合の円錐曲線は、離心率eが0、半長軸=半径、エネルギは<0となり得る。
・楕円の場合の円錐曲線は、離心率eが0<e<1、半長軸が≧0、エネルギが<0となり得る。
・放物線の場合の円錐曲線は、離心率eが1、半長軸が無限大、エネルギが0となり得る。
・双曲線の場合の円錐曲線は、離心率eが>1、半長軸が<0、エネルギが>0となり得る。
軌道長半径a
離心率e
軌道傾斜角i
近点引数ω
近点通過時刻T
昇交点黄経
である。
実施形態
Claims (23)
- 有限時間範囲にわたり走行体をターゲットとランデブーさせるために前記走行体の動作を制御するためのシステムであって、前記走行体は宇宙機であり、前記システムは、
前記走行体の力学のモデルを有するコントローラと、
受動危険領域が格納されているメモリと、
前記有限時間範囲内の指定期間におけるマルチオブジェクト天文座標系内での走行体状態およびターゲット状態の値を含むデータを受け付けるトランシーバと、
プロセッサとを備え、前記プロセッサは、前記指定期間において、
前記メモリにアクセスし、前記指定期間において前記ターゲットが位置する軌道に対応する受動危険領域のセットを選択するように構成され、前記受動危険領域のセットは、走行体スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットとの衝突軌道を保証する前記ターゲットの周りの空間の領域を表し、前記プロセッサはさらに、
前記受動危険領域のセットを受動安全性制約として定式化し、
前記走行体の力学のモデルを有する前記コントローラを、前記受け付けたデータで更新し、前記更新したコントローラに前記受動安全性制約を課すことにより、前記受動危険領域のセットを回避する衝突なしのランデブー軌道を生成する制御コマンドを生成して、前記走行体が前記ターゲットと衝突しないように、前記走行体スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットに対する衝突なしの軌道を保証し、
前記制御コマンドを出力することにより、前記指定期間の間前記走行体の1つ以上のスラスタを前記制御コマンドに基づいて作動または停止させるように、構成され、
前記コントローラはモデル予測コントローラであり、
前記受動危険領域のセットは、前記ターゲットの周りの領域の後方到達可能セットを計算することによって決定され、
前記ターゲットは、宇宙機、天体、および軌道デブリのうちの1つであり、
前記ターゲットの周りの前記領域は、アプローチ楕円体(AE)領域、キープアウト球体(KOS)領域、アプローチ多面体(AP)領域およびキープアウト多面体(KOP)領域のうちの1つである、
ことを特徴とする、システム。 - 前記マルチオブジェクト天文座標系内での前記走行体状態および前記ターゲット状態は、前記走行体および前記ターゲットの、位置と、方位と、並進および角速度と、前記マルチオブジェクト天文座標系に対して作用する摂動とのうちの、1つまたは組み合わせを含み、前記走行体および前記ターゲットは、前記マルチオブジェクト天文座標系を形成する、請求項1に記載のシステム。
- 前記マルチオブジェクト天文座標系に対して作用する前記摂動は、太陽および月の重力摂動、中心体が球形でないことに起因する異方性重力摂動、太陽光圧力、および空気抗力等の、自然軌道力である、請求項2に記載のシステム。
- 前記マルチオブジェクト天文座標系は、3次元空間内における、前記走行体、前記ターゲット、および、宇宙機もしくは軌道デブリ等の他の天体物体の位置を含む、天文基準座標系もしくは天文座標系を含む、または、物体の距離が不明の場合は天球上に方向をプロットする、請求項1に記載のシステム。
- 前記天体物体は、前記ターゲットがその周りを軌道を描いて周回する地球等の主天体を含み、または、地球等の主天体と月等の副天体とを含み、前記ターゲットは、L1ラグランジュ点、L2ラグランジュ点またはL3ラグランジュ点のうちの1つの近くの周期的3次元軌道であるハロー軌道にある、請求項4に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記トランシーバおよび前記メモリと通信するガイダンス・制御コンピュータ(GCC)であり、前記ターゲットの軌道は、地上局からアップロードされた天体暦に基づいて決定される、衛星追跡データベースにおいて取得された地上データに基づいて決定される、または、前記受け付けたデータから取得された前記走行体の搭載センサ測定値から推定される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ターゲットの軌道は、円軌道、楕円軌道、ハロー軌道、直線に近いハロー軌道、または準衛星軌道のうちの1つである、請求項1に記載のシステム。
- 前記メモリから前記受動危険領域にアクセスするために、前記プロセッサは、前記受け付けたデータから前記指定期間における前記ターゲットの軌道位置を特定し、前記メモリから受動危険領域(PUR)データベースにアクセスし、前記ターゲットの軌道位置を用いて、前記PURデータベースから前記ターゲットの軌道について対応するPURのセットを特定する、請求項1に記載のシステム。
- 前記後方到達可能セットは、制御がない状態で前記ターゲット領域に受動的にドリフトする状態空間の領域として、前記ターゲット領域から時間的に後方に計算される、請求項1に記載のシステム。
- 前記後方到達可能セットは、楕円体、多面体、またはゾノトープのうちの1つである、請求項1に記載のシステム。
- 前記ターゲットの周りの前記領域の前記後方到達可能セットの前記計算は、オフラインで実行され、メモリに格納される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ターゲットの周りの前記領域の前記後方到達可能セットの前記計算は、前記走行体の搭載センサ測定値からの前記ターゲットの推定位置に基づいて、オンラインでかつリアルタイムで実行され、メモリに格納される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ターゲット領域は、前記ターゲットの軌道に沿って前記ターゲットが移動するのに伴って時間とともに変化し、前記後方到達可能セットは前記ターゲットの軌道に沿う複数のターゲット位置およびターゲット領域位置について計算される、請求項1に記載のシステム。
- 前記モデル予測コントローラは、前記受動危険領域のセットの局所的凸化を用いることにより、走行体状態が受動危険領域の内側にないときにのみ充足される線形受動安全性制約を定式化する、請求項1に記載のシステム。
- 前記受動危険領域のセットの前記局所的凸化は、受動危険領域境界を近似する半空間制約を計算することによって実現される、請求項14に記載のシステム。
- 前記半空間制約は、前記走行体または前記ターゲットの位置に関する不確実性および/またはスラスタの大きさもしくは方向の不確実性に起因する、少なくとも先験的指定確率レベルで前記半空間制約が充足されることを必要とする、機会制約として、定式化される、請求項15に記載のシステム。
- 許容可能な制御入力のセットにわたって最適化されたときにオプティマイザーが前記制御コマンドを生成するように、前記受動安全性制約を含む最適制御問題を定式化することにより、前記更新したコントローラに前記受動安全性制約を課す、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御コマンドは、後退範囲にわたってコスト関数を最適化することにより前記制御コマンドを生成するモデル予測制御ポリシーに対する解として生成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御コマンドは、前記有限時間範囲内の複数の指定期間のうちの各指定期間ごとに生成される、または、後退時間範囲にわたって繰り返し生成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御コマンドは繰り返し生成され、少なくとも1回の繰り返しは、
前記宇宙機の所望の動作の変更に基づいて、前記コスト関数の成分、前記コスト関数の成分の重み、および受動安全性制約のうちの、1つまたは組み合わせを更新することを含む、請求項18に記載のシステム。 - 各繰り返しごとに、次の逐次指定期間において、受動危険領域の異なるセットが存在する、請求項20に記載のシステム。
- 有限時間範囲にわたり宇宙機をターゲットとランデブーさせるために前記宇宙機を制御する方法であって、前記宇宙機および前記ターゲットはマルチオブジェクト天文座標系を形成し、前記有限時間範囲内の複数の指定期間のうちのある指定期間における前記マルチオブジェクト天文座標系内での宇宙機状態およびターゲット状態の値を含むデータを受け付け、前記方法は、
受動危険領域が格納されているメモリにアクセスし、前記指定期間において前記ターゲットが位置する軌道に対応する受動危険領域のセットを選択することを含み、前記受動危険領域のセットは、前記指定期間内における宇宙機スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットとの衝突軌道を保証する前記ターゲットの周りの空間の領域を表し、前記方法はさらに、
前記受動危険領域のセットを受動安全性制約として定式化することと、
前記宇宙機の力学のモデルを有するモデル予測コントローラを、前記受け付けたデータで更新することと、
前記更新したモデル予測コントローラに前記受動安全性制約を課すことにより、前記指定期間の間前記受動危険領域のセットを回避する衝突なしのランデブー軌道を生成する制御コマンドを生成して、前記宇宙機が前記ターゲットと衝突しないように、前記宇宙機スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットに対する衝突なしの軌道を保証するすることと、
前記制御コマンドを出力することにより、前記指定期間の間前記宇宙機の1つ以上のスラスタを前記制御コマンドに基づいて作動または停止させることとを含み、
前記受動危険領域のセットは、前記ターゲットの周りの領域の後方到達可能セットを計算することによって決定され、
前記ターゲットは、宇宙機、天体、および軌道デブリのうちの1つであり、
前記ターゲットの周りの前記領域は、アプローチ楕円体(AE)領域、キープアウト球体(KOS)領域、アプローチ多面体(AP)領域およびキープアウト多面体(KOP)領域のうちの1つである、
ことを特徴とする、方法。 - 格納された命令を含む非一時的なマシン読取可能媒体であって、前記命令は、処理回路によって実行されると、前記処理回路を、有限時間範囲にわたり宇宙機をターゲットとランデブーさせるために前記宇宙機を制御するための動作を実行するように構成し、前記宇宙機および前記ターゲットはマルチオブジェクト天文座標系を形成し、前記有限時間範囲内の複数の指定期間のうちのある指定期間における前記マルチオブジェクト天文座標系内での宇宙機状態およびターゲット状態の値を含むデータを受け付け、
受動危険領域が格納されているメモリにアクセスし、前記指定期間において前記ターゲットが位置する軌道に対応する受動危険領域のセットを選択することを含み、前記受動危険領域のセットは、前記指定期間内における宇宙機スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットとの衝突軌道を保証する前記ターゲットの周りの空間の領域を表し、さらに、
前記受動危険領域のセットを受動安全性制約として定式化することと、
前記宇宙機の力学のモデルを有するモデル予測コントローラを、前記受け付けたデータで更新することと、
前記更新したモデル予測コントローラに前記受動安全性制約を課すことにより、前記指定期間の間前記受動危険領域のセットを回避する衝突なしのランデブー軌道を生成する制御コマンドを生成して、前記宇宙機が前記ターゲットと衝突しないように、前記宇宙機スラスタ完全故障の場合の前記ターゲットに対する衝突なしの軌道を保証することと、
前記制御コマンドを出力することにより、前記指定期間の間前記宇宙機の1つ以上のスラスタを前記制御コマンドに基づいて作動または停止させることとを含み、
前記受動危険領域のセットは、前記ターゲットの周りの領域の後方到達可能セットを計算することによって決定され、
前記ターゲットは、宇宙機、天体、および軌道デブリのうちの1つであり、
前記ターゲットの周りの前記領域は、アプローチ楕円体(AE)領域、キープアウト球体(KOS)領域、アプローチ多面体(AP)領域およびキープアウト多面体(KOP)領域のうちの1つである、
ことを特徴とする、非一時的なマシン読取可能媒体。
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