Decentralized coordinated attitude control for satellite formation flying via the state-dependent riccati equation technique

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 위성 편대비행에서 분산적 구조를 이용한 위성의 자세 제어 알고리즘을 개발하는 것이다. 위성 운동의 역학적 비선형성을 다루기 위하여 상태 의존 Riccati 방정식 제어기법을 이용하였으며, 분산적 구조를 위하여 절대적 그리고 상대적 운동방정식을 각각 구성하였다. 위성 편대비행을 위한 상대 자세 제어 문제 대한 최초의 비선형 제어기로서 상태 의존 Riccati 방정식 제어기법을 이용하였으며, 이에 대한 결과를 선형 제어 기법인 선형제차 조절기(LQR) 제어기법과 비례미분(PD) 제어기법을 통한 결과와 비교하였다. 상태 의존 Riccati 방정식 제어기법에 의해 제어되는 시스템의 안정 영역을 수치적 방법을 이용하여 구하였다. 이 안정 영역은 본 연구에서 개발한 상태 의존 Riccati 방정식 제어기법에 의한 제어기가 위성의 절대적 그리고 상대적 자세제어를 위한 전역 점근 안정성을 나타낸다. 또한 편대비행에서 위성의 상대 자세 에러를 위한 연속적 제어 방법을 보완하기 위하여 선택적 제어 방법을 제안하였다. 이 방법을 이용할 경우 위성은 불필요한 계산을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 위성 편대비행을 위한 자에 제어 알고리즘의 실패율을 줄일 수 있다. 지구 관측 임무에 적용 가능하도록 궤도 기준 좌표계에서 위성 편대 비행의 자세제어 알고리즘을 테스트 하였다. 시뮬레이션 결과는 상태 의존 Riccati 방정식 제어기법에 의한 위성의 자세 제어 알고리즘이 자세 에러를 완벽하게 줄여줄 수 있는 방법임을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The goal of the thesis is to develop a decentralized coordinated attitude control algorithm for satellite formation flying. To handle the nonlinearity of the dynamic system, the problems of absolute and relative attitude dynamics are formulated for the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) technique. The SDRE technique is for the first time utilized as a nonlinear controller of the relative attitude control problem for satellite formation flying, and then the results are compared to those from linear control methods, mainly the PD and LQR controllers. The stability region for the SDRE-controlled system was obtained using a numerical method. This estimated stability region demonstrates that the SDRE controller developed in the present paper guarantees the global asymptotic stability for both the absolute and relative attitude controls. Moreover, in order to complement a constant control strategy for relative attitude error in formation flying, a selective control strategy is suggested. This strategy guarantees not only a reduction in unnecessary calculation, but also the mission-failure safety of the attitude control algorithm for satellite formation. The attitude control algorithm of the formation flying was tested in the orbital-reference coordinate system for the sake of applying the control algorithms to Earth-observing missions. The simulation results illustrate that the attitude control algorithm based on the SDRE technique can robustly drive the attitude errors to converge to zero.