Minimisation L¹ en mécanique spatiale

L¹-Minimization for Space Mechanics

• Auteur / Autrice : Zheng Chen
• Direction : Frédéric Lagoutière, Yacine Chitour, Jean-Baptiste Caillau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 14/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mathématiques d'Orsay (1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Trélat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lagoutière, Yacine Chitour, Jean-Baptiste Caillau, Emmanuel Trélat, Jérôme Bolte, Francesco Topputo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Heinz Schättler, Daniel Scheeres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trajectoires spatiales

Calcul des variations

Commande, Théorie de la

Mots clés libres

Conditions suffisantes

Contrôle optimal

Mécanique spatiale

Extrémales brisées

Sufficient conditions

Optimal control

Space mechanics

Broken extremals

Résumé

En astronautique, une question importante est de contrôler le mouvement d’un satellite soumis à la gravitation des corps célestes de telle sorte que certains indices de performance soient minimisés (ou maximisés). Dans cette thèse, nous nous intéressons à la minimisation de la norme L¹ du contrôle pour le problème circulaire restreint des trois corps. Les conditions nécessaires à l’optimalité sont obtenues en utilisant le principe du maximum de Pontryagin, révélant l’existence de contrôles bang-bang et singuliers. En s’appuyant sur les résultats de Marchal [1] et Zelikin et al. [2], la présence du phénomène de Fuller est mise en évidence par l’analyse des es extrêmales singulières. La contrôlabilité pour le problème à deux corps (un cas dégénéré du problème circulaire restreint des trois corps) avec un contrôle prenant des valeurs dans une boule euclidienne est caractérisée dans le chapitre 2. Le résultat de contrôlabilité est facilement étendu au problème des trois corps puisque le champ de vecteurs correspondant à la dérive est récurrent. En conséquence, si les trajectoires contrôlées admissibles restent dans un compact fixé, l’existence des solutions du problème de minimisation L¹ peut être obtenu par une combinaison du théorème de Filippov (voir [4, chapitre 10]) et une procédure appropriée de convexification (voir [5]). En dimension finie, le problème de minimisation L¹ est bien connu pour générer des solutions où le contrôle s’annule sur certains intervalles de temps. Bien que le principe du maximum de Pontryagin soit un outil puissant pour identifier les solutions candidates pour le problème de minimisation L¹, il ne peut pas garantir que ces candidats sont au moins localement optimaux sauf si certaines conditions d’optimalité suffisantes sont satisfaites. En effet, il est une condition préalable pour établir (et pour être capable de vérifier) les conditions d’optimalité nécessaires et suffisantes pour résoudre le problème de minimisation L¹. Dans cette thèse, l’idée cruciale pour obtenir de telles conditions est de construire une famille paramétrée d’extrémales telle que l’extrémale de référence peut être intégrée dans un champ d’extrémales. Deux conditions de non-pliage pour la projection canonique de la famille paramétrée d’extrémales sont proposées. En ce qui concerne le cas de points terminaux fixés, ces conditions de non-pliage sont suffisantes pour garantir que l’extrémale de référence est localement minimisante tant que chaque point de commutation est régulier (cf. chapitre 3). Si le point terminal n’est pas fixe mais varie sur une sous-variété lisse, une condition suffisante supplémentaire impliquant la géométrie de variété de cible est établie (cf. chapitre 4). Bien que diverses méthodes numériques, y compris celles considérées comme directes [6, 7], indirectes [5, 8], et hybrides [11], dans la littérature sont en mesure de calculer des solutions optimales, nous ne pouvons pas attendre d’un satellite piloté par le contrôle optimal précalculé (ou le contrôle nominal) de se déplacer sur la trajectoire optimale précalculée (ou trajectoire nominale) en raison de perturbations et des erreurs inévitables. Afin d’éviter de recalculer une nouvelle trajectoire optimale une fois que la déviation de la trajectoire nominale s’est produite, le contrôle de rétroaction optimale voisin, qui est probablement l’application pratique la plus importante de la théorie du contrôle optimal [12, Chapitre 5], est obtenu en paramétrant les extrémales voisines autour de la nominale (cf. chapitre 5). Étant donné que la fonction de contrôle optimal est bang-bang, le contrôle optimal voisin comprend non seulement la rétroaction sur la direction de poussée, mais aussi celle sur les instants de commutation. En outre, une analyse géométrique montre qu’il est impossible de construire un contrôle optimal voisin une fois que le point conjugué apparaisse ou bien entre ou bien à des instants de commutation.

In astronautics, an important issue is to control the motion of a satellite subject to the gravitation of celestial bodies in such a way that certain performance indices are minimized (or maximized). In the thesis, we are interested in minimizing the L¹-norm of control for the circular restricted three-body problem. The necessary conditions for optimality are derived by using the Pontryagin maximum principle, revealing the existence of bang-bang and singular controls. Singular extremals are analyzed, and the Fuller phenomenon shows up according to the theories developed by Marchal [1] and Zelikin et al. [2, 3]. The controllability for the controlled two-body problem (a degenerate case of the circular restricted three-body problem) with control taking values in a Euclidean ball is addressed first (cf. Chapter 2). The controllability result is readily extended to the three-body problem since the drift vector field of the three-body problem is recurrent. As a result, if the admissible controlled trajectories remain in a fixed compact set, the existence of the solutions of the L¹-minimizaion problem can be obtained by a combination of Filippov theorem (see [4, Chapter 10], e.g.) and a suitable convexification procedure (see, e.g., [5]). In finite dimensions, the L¹-minimization problem is well-known to generate solutions where the control vanishes on some time intervals. While the Pontryagin maximum principle is a powerful tool to identify candidate solutions for L1-minimization problem, it cannot guarantee that the these candidates are at least locally optimal unless sufficient optimality conditions are satisfied. Indeed, it is a prerequisite to establish (as well as to be able to verify) the necessary and sufficient optimality conditions in order to solve the L¹-minimization problem. In this thesis, the crucial idea for establishing such conditions is to construct a parameterized family of extremals such that the reference extremal can be embedded into a field of extremals. Two no-fold conditions for the canonical projection of the parameterized family of extremals are devised. For the scenario of fixed endpoints, these no-fold conditions are sufficient to guarantee that the reference extremal is locally minimizing provided that each switching point is regular (cf. Chapter 3). If the terminal point is not fixed but varies on a smooth submanifold, an extra sufficient condition involving the geometry of the target manifold is established (cf. Chapter 4). Although various numerical methods, including the ones categorized as direct [6, 7], in- direct [5, 8, 9], and hybrid [10], in the literature are able to compute optimal solutions, one cannot expect a satellite steered by the precomputed optimal control (or nominal control) to move on the precomputed optimal trajectory (or nominal trajectory) due to unavoidable perturbations and errors. In order to avoid recomputing a new optimal trajectory once a deviation from the nominal trajectory occurs, the neighboring optimal feedback control, which is probably the most important practical application of optimal control theory [11, Chapter 5], is derived by parameterizing the neighboring extremals around the nominal one (cf. Chapter 5). Since the optimal control function is bang-bang, the neighboring optimal control consists of not only the feedback on thrust direction but also that on switching times. Moreover, a geometric analysis shows that it is impossible to construct the neighboring optimal control once a conjugate point occurs either between or at switching times.