Quaternion Methods and Regular Models of Celestial and Space Flight Mechanic: Using Euler (Rodrigues-Hamilton) Parameters to Describe Orbital (Trajectory) Motion. II: Perturbed Spatial Restricted Three-Body Problem

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article considers the problem of regularizing the features of the classical equations of celestial mechanics and space flight mechanics (astrodynamics), which use variables that characterize the shape and size of the instantaneous orbit (trajectory) of the moving body under study, and Euler angles that describe the orientation of the used rotating (intermediate) coordinate system or the orientation of the instantaneous orbit, or the plane of the orbit of a moving body in an inertial coordinate system. Singularity-type features (division by zero) of these classical equations are generated by Euler angles and complicate the analytical and numerical study of orbital motion problems. These singularities are effectively eliminated by using the four-dimensional Euler (Rodrigues-Hamilton) parameters and Hamiltonian rotation quaternions. In this (second) part of the work, new regular quaternion models of celestial mechanics and astrodynamics are obtained that do not have the above features and are built within the framework of a perturbed spatial limited three-body problem (for example, the Earth, the Moon (or the Sun) and a spacecraft (or an asteroid)): equations of trajectory motion written in non-holonomic or orbital or ideal coordinate systems, for the description of the rotational motion of which the Euler (Rodrigues-Hamilton) parameters and quaternions of Hamilton rotations are used. New regular quaternion equations of the perturbed spatial restricted three-body problem are also obtained, constructed using two-dimensional ideal rectangular Hansen coordinates, Euler parameters and quaternion variables, as well as using complex compositions of Hansen coordinates and Euler parameters (Cayley-Klein parameters). The advantage of the proposed orbital motion equations constructed using the Euler parameters over the equations constructed using the Euler angles is due to the well-known advantages of the quaternion kinematic equations in the Euler parameters included in the proposed equations over the kinematic equations in the Euler angles included in the classical equations.

About the authors

Yu. N. Chelnokov

Institute of Precision Mechanics and Control Problems of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ChelnokovYuN@gmail.com
Saratov, 410028 Russia

References

  1. Абалакин В.К., Аксенов Е.П., Гребеников Е.А., Демин В.Г., Рябов Ю.А. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. М.: Наука, 1976. 864 с.
  2. Дубошин Г.Н. Небесная механика: Методы теории движения искусственных небесных тел. М.: Наука, 1983. 352 с.
  3. Челноков Ю.Н. Кватернионные методы и регулярные модели небесной механики и механики космического полета: использование параметров Эйлера (Родрига–Гамильтона) для описания орбитального (траекторного) движения. I: Обзор и анализ методов и моделей и их приложений // Изв. РАН. МТТ. 2022. № 5. С. 3–31. https://doi.org/10.31857/S0572329922040043
  4. Челноков Ю.Н. Анализ оптимального управления движением точки в гравитационном поле с использованием кватернионов // Изв. РАН. ТиСУ. 2007. № 5. С. 18–44.
  5. Челноков Ю.Н. Кватернионные модели и методы динамики, навигации и управления движением. М.: Физматлит, 2011. 560 с.
  6. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация в небесной механике и астродинамике и управление траекторным движением. I // Косм. иссл. 2013. Т. 51. № 5. С. 389–401.
  7. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация в небесной механике и астродинамике и управление траекторным движением. III // Косм. иссл. 2015. Т. 53. № 5. С. 430–446. https://doi.org/10.7868/S0023420615050040
  8. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация уравнений возмущенной пространственной ограниченной задачи трех тел. I // Изв. РАН. МТТ. 2017. № 6. С. 24–54.
  9. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация уравнений возмущенной пространственной ограниченной задачи трех тел. II // Изв. РАН. МТТ. 2018. № 6. С. 41–63.
  10. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973. 320 с.
  11. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. M.: Наука, 1992. 280 с.
  12. Челноков Ю.Н. Кватернионные и бикватернионные модели и методы механики твердого тела и их приложения. Геометрия и кинематика движения. М.: Физматлит, 2006. 512 с.
  13. Журавлев В.Ф. Основы теоретической механики. М.: Физматлит, 2008. 304 с.
  14. Челноков Ю.Н. Кватернионные методы в задачах возмущенного центрального движения материальной точки. Ч. 1: Общая теория. Приложения к задаче регуляризации и к задаче о движении ИСЗ. М.: ВИНИТИ, 1985. № 8628-В. 36 с.
  15. Челноков Ю.Н. Кватернионные методы в задачах возмущенного центрального движения материальной точки. Ч. 2: Пространственная задача невозмущенного центрального движения. Задача с начальными условиями. М.: ВИНИТИ, 1985. № 8629-В. 18 с.
  16. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в теории орбитального движения искусственного спутника. Ч. 1 // Косм. иссл. 1992. Т. 30. Вып. 6. С. 759–770.
  17. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация и стабилизация возмущенного центрального движения. Ч. 1 // Изв. РАН. МТТ. 1993. № 1. С. 20–30.
  18. Челноков Ю.Н. Построение оптимальных управлений и траекторий движения космического аппарата, использующее кватернионное описание пространственной ориентации орбиты // Косм. иссл. 1997. Т. 35. № 5. С. 534–542.
  19. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в механике космического полета // Гироскоп. навиг. 1999. № 4 (27). С. 47–66.
  20. Брагазин А.Ф., Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Описание орбитального движения с использованием кватернионов и скоростных параметров // Анн. докладов шестого Всесоюзного съезда по теорет. и прикл. механике. Ташкент: Фан, 1986. С. 133.
  21. Deprit A. Ideal frames for perturbed keplerian motions // Celest. Mech. 1976. V. 13. № 2. P. 253–263.
  22. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в теории орбитального движения искусственного спутника. Ч. 2 // Косм. иссл. 1993. Т. 31. Вып. 3. С. 3–15.
  23. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в задачах оптимального управления движением центра масс космического аппарата в ньютоновском гравитационном поле. I // Косм. иссл. 2001. Т. 39. № 5. С. 502–517.
  24. Онищенко С.М. Применение гиперкомплексных чисел в теории инерциальной навигации. Автономные системы. Киев: Наукова думка, 1983. 208 с.
  25. Челноков Ю.Н. Кватернионная регуляризация в небесной механике и астродинамике и управление траекторным движением. II // Косм. иссл. 2014. Т. 52. № 4. С. 322–336.
  26. Брумберг В.А. Аналитические алгоритмы небесной механики. М.: Наука, 1980. 208 с.
  27. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в задачах оптимального управления движением центра масс космического аппарата в ньютоновском гравитационном поле. Ч. 2 // Косм. иссл. 2003. Т. 41. № 1. С. 92–107.
  28. Челноков Ю.Н. Применение кватернионов в задачах оптимального управления движением центра масс космического аппарата в ньютоновском гравитационном поле. Ч. 3 // Косм. иссл. 2003. Т. 41. № 5. С. 460–477.
  29. Челноков Ю.Н. Оптимальная переориентация орбиты космического аппарата посредством реактивной тяги, ортогональной плоскости орбиты // ПММ. Т. 76. Вып. 6. 2012. С. 895–912.
  30. Панкратов И.А., Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Об одной задаче оптимальной переориентации орбиты космического аппарата // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер.: Мат. Мех. Инф. 2012. Т. 12. № 3. С. 87–95.
  31. Панкратов И.А., Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Решение задачи оптимальной переориентации орбиты космического аппарата с использованием кватернионных уравнений ориентации орбитальной системы координат // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер.: Мат. Мех. Инф. 2013. Т. 13. № 1–1. С. 84–92.
  32. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Исследование задачи оптимальной переориентации орбиты космического аппарата посредством ограниченной или импульсной реактивной тяги, ортогональной плоскости орбиты. Часть 1 // Мехатрон. автомат. управл. 2016. Т. 17. № 8. С. 567–575. https://doi.org/10.17587/mau.17.567-575
  33. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Исследование задачи оптимальной переориентации орбиты космического аппарата посредством ограниченной или импульсной реактивной тяги, ортогональной плоскости орбиты. Часть 2 // Мехатрон. автомат. управл. 2016. Т. 17. № 9. С. 633–643. https://doi.org/10.17587/mau.17.633-643
  34. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Оптимальный поворот плоскости орбиты космического аппарата переменной массы в центральном гравитационном поле посредством ортогональной тяги // Автомат. телемех. 2019. № 8. С. 87–108.
  35. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Импульсная оптимальная переориентация орбиты космического аппарата посредством реактивной тяги, ортогональной плоскости оскулирующей орбиты. I // Изв. РАН. МТТ. 2018. № 5. С. 70–89. https://doi.org/10.31857/S057232990002467-3
  36. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Импульсная оптимальная переориентация орбиты космического аппарата посредством реактивной тяги, ортогональной плоскости оскулирующей орбиты. II // Изв. РАН. МТТ. 2019. № 1. С. 3–23. https://doi.org/10.1134/S0572329919010021
  37. Сапунков Я.Г., Челноков Ю.Н. Кватернионное решение задачи оптимального поворота плоскости орбиты космического аппарата переменной массы с помощью тяги, ортогональной плоскости орбиты // Изв. РАН. МТТ. 2019. № 4. С. 110–129. https://doi.org/10.1134/S057232991904007X
  38. Копнин Ю.М. К задаче поворота плоскости орбиты спутника // Косм. иссл. 1965. Т. 3. Вып. 4. С. 22–30.
  39. Лебедев В.Н. Расчет движения космического аппарата с малой тягой. М.: ВЦ АН СССР, 1968. 108 с.
  40. Борщевский М.З., Иослович М.В. К задаче о повороте плоскости орбиты спутника при помощи реактивной тяги // Косм. иссл. 1969. Т. 7. Вып. 6. С. 8–15.
  41. Гродзовский Г.Л., Иванов Ю.Н., Токарев В.В. Механика космического полета. Проблемы оптимизации. М.: Наука, 1975.
  42. Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета. М.: Наука, 1990.
  43. Ишков С.А., Романенко В.А. Формирование и коррекция высокоэллиптической орбиты спутника земли с двигателем малой тяги // Косм. иссл. 1997. Т. 35. № 3. С. 287–296.
  44. Battin R.H. An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics. New York: AIAA Press, 1987. 799 p.
  45. Челноков Ю.Н. К регуляризации уравнений пространственной задачи двух тел // Изв. АН СССР. МТТ. 1981. № 6. С. 12–21.
  46. Челноков Ю.Н. О регулярных уравнениях пространственной задачи двух тел // Изв. АН СССР. МТТ. 1984. № 1. С. 151–158.
  47. Stiefel E.L., Scheifele G. Linear and Regular Celestial Mechanics. Berlin: Springer, 1971. p. 350 = Штифель Е., Шейфеле Г. Линейная и регулярная небесная механика. М.: Наука, 1975. С. 304
  48. Chelnokov Y.N. Quaternion methods and models of regular celestial mechanics and astrodynamics // Appl. Math. Mech. (Engl. Ed.). 2022. V. 43. № 1. P. 21–80. https://doi.org/10.1007/s10483-021-2797-9

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Ю.Н. Челноков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».