Дискретные ориентации космического аппарата
Авторы: Берестова С.А., Копытов Н.П., Митюшов Е.А.
Опубликовано в выпуске: #7(67)/2017
DOI: 10.18698/2308-6033-2017-7-1661
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
Рассмотрена проблема моделирования набора дискретных ориентаций космического аппарата, который может быть использован при тестировании систем управления его положениями в пространстве. В основу модели положен критерий равномерного заполнения ориентационного пространства. Использован авторский универсальный метод случайного равномерного распределения точек на гладких регулярных поверхностях в трехмерном евклидовом пространстве и его обобщение для гиперповерхностей, заданных параметрическим способом, в многомерных пространствах. Найдена функция плотности совместного распределения ориентационных параметров в виде углов Эйлера при равномерном распределении точек на поверхности в трехмерном пространстве. Установлено, что равномерно распределенные точки на поверхности трехмерной единичной гиперсферы в четырехмерном евклидовом пространстве определяют соответствующее множество параметров Родрига - Гамильтона, что подтверждает факт двулистного накрытия трехмерной гиперсферой группы специальных ортогональных матриц SO(3). Осуществлен переход от непрерывного к равномерному дискретному распределению. Реализован алгоритм дискретного заполнения пространства ориентаций на основе использования правильных центросимметричных многогранников в четырехмерном пространстве, вершины которых формируют множества необходимых параметров Родрига - Гамильтона или кватернионов. Даны конструктивное доказательство правильности созданного алгоритма и его иллюстрация путем визуализации положений тела в трехмерном пространстве на примере создания 12 дискретных ориентаций, равномерно заполняющих ориентационное пространство на основе двадцатичетырехячейника в четырехмерном пространстве. Показано, что в общем случае при создании системы дискретных ориентаций космических аппаратов могут быть использованы сведения о координатах вершин пяти правильных четырехмерных многогранников (тессеракта, шестнадцатиячейника, двадцатичетырехячейника, стодвадцатиячейника, шестисотячейника). Описана возможная область практических применений предложенных результатов.
Литература
[1] Копытов Н.П., Митюшов Е.А. Универсальный алгоритм равномерного распределения точек на произвольных аналитических поверхностях в трехмерном пространстве. Фундаментальные исследования, 2013, № 4, ч. 3, с. 618-622.
[2] Копытов Н.П., Митюшов Е.А. Математическая модель армирования оболочек из волокнистых композиционных материалов и проблема равномерного распределения точек на поверхностях. Вестник Пермского государственного технического университета. Механика, 2010, № 4, с. 55-66.
[3] Копытов Н.П., Митюшов Е.А. Равномерное распределение точек на поверхностях для создания структур композитных оболочек с трансверсально-изотропными свойствами. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2263-2264.
[4] Kopytov N.P., Mityushov E.A. Universal algorithm of uniform distribution of points on arbitrary analytic surfaces in three-dimensional space. Intellectual Archive, 2012. URL: http://www.intellectualarchive.com/?link=item&id=473 (дата обращения 12.05.2017).
[5] Kopytov N.P., Mityushov E.A. The method for uniform distribution of points on surfaces in multi-dimensional Euclidean space. Intellectual Archive, 2012. URL: http://www.intellectualarchive.com/?link=item&id=1170 (дата обращения 12.05.2017).
[6] Копытов Н.П., Митюшов Е.А. Равномерное распределение точек на гиперповерхностях: моделирование случайных равновероятных вращений. Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2015, т. 25, № 1, с. 29-35.
[7] Bauer R. Uniform Sampling of SO3. Proceedings of NASA Space Flight Mechanics Symposium. NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, June 19-21, 2001, pp. 347-359.
[8] Shuster M.D. Uniform attitude probability distributions. The Journal of the Astronautical Sciences, 2003, vol. 51, no. 4, pp. 451-475.
[9] Гельфанд И.М., Шапиро З.Я. Представления группы вращений трeхмерного пространства и их применения. Успехи математических наук, 1952, т. 7, вып. 1 (47), с. 3-117.
[10] Дубровин Б.А., Новиков С.П., Фоменко А.Т. Современная геометрия. Методы и приложения. В 3 т. Т. 1: Геометрия поверхностей, групп преобразований и полей. Москва, УРСС, Книжный дом "Либроком", 2013, 336 с.
[11] Miles R.E. On random rotations in R3. Biometrika, 1965, vol. 52 (3-4), pp. 636-639.
[12] Волков С.Д., Клинских Н.А. О распределении постоянных упругости в квазиизотропных поликристаллах. Доклады академии наук СССР, 1962, т. 146, № 3, с. 565-568.
[13] Борисов А.В., Мамаев И.С. Динамика твердого тела. Москва, Ижевск, Регулярная и хаотическая динамика, 2001, 384 с.
[14] Голубев Ю.Ф. Алгебра кватернионов в кинематике твердого тела. Препринты ИПМим. М.В. Келдыша, 2013, № 39, 23 с.
[15] Roberts P.H., Winch D.E. On random rotations. Advances in Applied Probability, 1984, vol. 16, pp. 638-655.
[16] Боровков М.В., Савелова Т.И. Нормальные распределения на SO(3). Москва, МИФИ, 2002, 94 с.