مدل دقيق براي حركت نسبي ماهواره‌‌ها در مدارهاي بيضوي اغتشاشي در حضور جسم سوم: هاورينگ و تخمين نسبي

دكتري تخصصي

به دليل وجود پيچيدگي و نياز به دقت بالا در انجام ماموريت‌‌هاي نوين فضايي به مانند عمليات بازرسي، پرواز دسته جمعي ماهواره‌‌ها و سوخت‌‌رساني مي‌‌بايست محاسبات، پردازش‌‌ها و تصميم‌‌گيري‌‌ها توسط ماهواره مرجع صورت گيرد. در اينگونه از عمليات‌‌ها مدل ديناميك نسبي مدارهاي فضايي و شناسايي رفتار حركتي آن ها در شرايط مختلف اهميت ويژه‌‌اي پيدا مي‌‌نمايد. اكثر مدل‌‌هايي كه تاكنون استخراج شده‌‌اند در شرايط پرواز‌‌ي طولاني مدت، مدار با خروج از مركزيت بالا و فواصل نسبي زياد خطاهاي بزرگي را توليد مي‌‌كنند. مهمترين دليل اين است كه معادلات ساده سازي شده و تنها اثر اغتشاش را بر ماهواره پيرو در نظر گرفته شده است و همچنان مدار ماهواره اصلي بدون اغتشاش فرض شده است. از اهداف اين رساله ارائه يك مدل دقيق براي آرايش پرواز مي باشد كه محدويت‌‌هاي كارهاي گذشته مانند كوتاه بودن مدت پرواز، كوچك بودن فاصله نسبي نسبت به فاصله ماهواره به زمين، عدم تاثير تغيير پارامترهاي اغتشاشي مدار مرجع بر معادلات حركت نسبي، محدود بودن خروج از مركز، عدم توانايي در مدلسازي تمامي ضرايب هارمونيك منطقه‌‌اي و عدم توانايي در مدلسازي جسم سوم با زاويه ميل در حركت نسبي را نداشته باشد. در ادامه، يكي از مهم‌‌ترين و حساس ترين جنبه‌‌هاي عمليات‌‌هاي نوين فضايي يعني هاورينگ نسبي مورد مطالعه قرار گرفته است. مساله هاورينگ نسبي در مدارهايي با خروج از مركزيت بالا به عنوان يكي از مهمترين عمليات‌‌هاي‌‌ فضايي، در اين رساله مدلسازي و تحليل شده است. مدلسازي صورت گرفته بر پايه روابط ديناميكي نسبي اغتشاشي ماهواره‌‌ها و وابسته به حركت اغتشاشي ماهواره هدف مي‌‌باشد. اختلاف ارتفاع زياد بين نقاط حضيض و اوج مدار هئو (مدار با خروج از مركزيت بالا) اعمال اغتشاشات ناشي از درگ هوا، ناهمگني زمين با درنظرگيري تمامي ضرايب هارمونيك منطقه‌‌اي و اثر ماه به عنوان جسم سوم را توجيه مي‌‌نمايد. مدلسازي هاورينگ بدون هيچ ساده‌‌سازي و با نگرشي نو بدست آمده است كه مي‌‌تواند تضمين مناسبي براي صحت آناليز پروازهايي با مدت زمان طولاني باشد. همچنين، مدل ديگري به عنوان مدل زمين مركز معرفي شده است كه صحت مدل ارايه شده را مورد ارزيابي قرار دهد. طراحي عمليات هاورينگ در مدارهاي هئو وابسته به برخي پارامترها و تحليل‌‌هاست به مانند: ميزان سوخت مصرفي، محل مناسب قرارگيري ماهواره پيرو، حداقل و حداكثر تراست مورد نياز، و زمان مناسب براي انجام عمليات بر اساس موقعيت ماهواره هدف و همچنين برخي شاخص‌‌هاي تاثيرگذار بر آن به مانند: خروج از مركز و زاويه ميل مدار هدف، موقعيت نسبي ماه و ماهواره پيرو، و رفتار نيروهاي اغتشاشي مي باشد. در ادامه، اثرات انحراف محوري جسم اصلي بر حركت طولاني مدت يك مدارگرد حول سياره هاي منظومه شمسي در حضور گرانش خورشيد مورد بررسي قرار گرفت. نشان داده شد كه در كارهاي گذشته به علت صرفنظر از نوسانات كوتاه مدت و جمع-شدن خطاها نتايج قابل قبولي در ارزيابي هاي طولاني مدت بدست نخواهد آمد. با بررسي سيستم خورشيد-ونوس، خورشيد-زمين و خورشيد-مريخ، مشخص شد كه انحراف محوري جسم اصلي هرچند كوچك باشد در پروازهاي طولاني اثرات قابل توجهي را اعمال خواهد كرد. در انتها، اهميت در نظرگرفتن انحراف جسم اصلي توسط چند ماموريت مربوط به سيستم زمين-ماه، در حفظ آرايش ماهواره ماه‌‌گرد و در عمليات هاورينگ نسبي به اثبات رسيد. همچنين، با توجه به اهميت مسئله ناوبري نسبي در آرايش پرواز ماهواره‌‌ها، فيلتر ذره‌‌اي مكعبي كوادريچر درجه بالا با تركيب دو فيلتر ذره‌‌اي و كالمن مكعبي كوادريچر بدست مي‌‌آيد. فيلتر كالمن وظيفه حركت ذرات فيلتر ذره‌‌اي را به سمت تابع توزيع با احتمال بالاتر خواهد داشت. در كل، الگوريتم‌‌هاي پيشرفته تخمين مي‌‌تواند به طور موثري كمبودهاي ناشي از دقت سنسورهاي بكارگرفته شده را جبران نمايد. فيلتر پيشنهادي داراي خطاي پايين‌‌تر بوده و نسبت به تغييرات فركانس مشاهدات مقاوم‌‌تر مي‌‌باشد.

190713

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر مهدي فكور

ديناميك، ارتعاشات و كنترل

دكتر كامران دانشجو