On the optimal control of the circular restricted three body problem
Contribution au controle optimal du problème circulaire restreint des trois corps
Résumé
The context of this work is space mechanics. More precisely, we aim at computing low thrust transfers in the Earth-Moon system modeled by the circular restricted three-body problem. The goal is to calculate the optimal steering of the spacecraft engine with respect to two optimization criteria: Final time and fuel consumption. The contributions of this thesis are of two kinds. Geometric, first, as we study the controllability of the system together with the geometry of the transfers (structure of the command) by means of geometric control tools. Numerical, then, different homotopic methods being developed. A two-three body continuation is used to compute minimum time trajectories, and then a continuation on the maximal thrust is considered to reach low thrusts. The minimum consumption problem--minimization of the L1 norm of the control--is connected by a differential continuation to the min- imization of the L2 norm of the control. The trajectories computed are then compared to those obtained using a logarithmic interior penalty. Those methods are applied to simulate the SMART-1 mission of the European Space Agency.
Le contexte de ce travail est la mécanique spatiale. Plus précisément, on se propose de réaliser des transferts 'a faible poussée dans le système Terre- Lune modélise par le problème des trois corps restreint circulaire. Le but est de calculer la commande optimale de l'engin spatial pour deux critères d'optimisation: temps de transfert minimal et consommation de carburant minimale. Les contributions de cette thèse sont de deux ordres. Géométrique, tout d'abord, puisqu'on étudie la contrôlabilité du système ainsi que la géométrie des transferts (structure de la commande) à l'aide d'outils de contrôle géométrique. Numérique, ensuite, différentes méthodes homotopiques sont développées. En effet, une continuation deux-trois corps est considérée pour calculer des trajectoires temps minimales et puis une continuation sur la poussée maximale de l'engin pour atteindre des poussées faibles. Le problème de consommation minimale -- minimisation de la norme L1 du contrôle -- est connecté par une continuation différentielle au problème de minimisation de la norme L2 du contrôle. Les solutions trouvées sont comparées à celles calculées 'a l'aide d'une p pénalisation par barrière logarithmique. Ces méthodes sont ensuite appliquées pour la mission SMART-1 de l'Agence Européenne Spatiale.
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