As the remote sensing satellite technology grows, the acquisition of accurate attitude and position information of the satellite has become more and more important. Due to the data processing limitation of the on-board orbit propagator and attitude determination algorithm, it is required to develop much more accurate orbit and attitude determination, which are so called POD (precision orbit determination) and PAD (precision attitude determination) techniques. The sensor and attitude dynamics simulation takes a great part in developing a PAD algorithm for two reasons: 1. when a PAD algorithm is developed before the launch, realistic sensor data are not available, and 2. reference attitude data are necessary for the performance verification of a PAD algorithm. A realistic attitude dynamics and sensor (IRU and star tracker) outputs simulation considering their physical characteristics are presented in this paper, which is planned to be used for a PAD algorithm development, test and performance verification.
인공위성의 자세추정은 결정론적 방법과 재귀적인 방법으로 나눌 수 있는데, 이 중 재귀적인 방법으로는 칼만 필터를 사용하여 자세를 추정하는 알고리즘이 널리 사용되고 있다. 초소형 큐브 위성의 경우 많은 탑재체를 실을 수 없기에 최소한의 자세 센서만을 이용해야 하는 제한점이 있다. 미션에 따라 식 기간 및 태양 센서의 데이터 이용이 불가능할 때에도 인공위성의 자세추정은 계속 되어야 인공위성은 임무를 성공적으로 완수할 수 있게 된다. 본 연구에서는 일반적인 인공위성의 자세추정 기법을 기반으로 큐브위성의 동역학과 토크외란을 고려하여 알고리즘을 발전시켜 식 기간에서도 더욱 정확한 자세 추정이 가능하도록 하였다. 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통해 기존의 자세추정 방법과 비교하여 그 성능을 검증하였다. 또한 위성체가 우주 환경에서 운용되면서 받을 수 있는 다양한 크기의 토크외란에 따른 자세추정 오차를 분석하였다.
In this paper, the complex nonlinear dynamics of a satellite is obtained. And it is shown that several limitations exist when the magnetorquer is used as an active actuator to attitude control. Such limitations cause a delayed convergence of pitch and roll angle. The simulation results insure that the roll angle bias is dependent on the z axis spin rate. And a heuristic algorithm is applied to control the attitude libration through the computer simulations.
우주공간상의 위성체는 아주 미세한 크기에 불과하지만 여러 가지 원인에 의한 외부교란토크를 받는다. 외부교란토크는 위성체의 궤도 운동뿐만 아니라 위성체의 자세에도 큰 영향을 미친다. 저궤도위성의 자세동역학에 작용하는 외부교란토크는 다양하다. 이러한 것들 중 중요한 4가지 원인은 중력경도, 지구자기장, 태양복사압 및 대기저항 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 저궤도위성과 같은 저궤도위성에 작용하는 외부교란토크를 상세히 분석하고 저궤도위성 자세동역학에 미치는 외부교란토크의 영향을 상세히 기술한다.
Multi-body spacecraft attitude and configuration control formulations based on the use of collaborative control theory are considered. The control formulations are based on two-player, nonzero-sum, differential game theory applied using a Nash strategy. It is desired that the control laws allow different components of the multi-body system to perform different tasks. For example, it may be desired that one body points toward a fixed star while another body in the system slews to track another satellite. Although similar to the linear quadratic regulator formulation, the collaborative control formulation contains a number of additional design parameters because the problem is formulated as two control problems coupled together. The use of the freedom of the partitioning of the total problem into two coupled control problems and the selection of the elements of the cross-coupling matrices are specific problems ad-dressed in this paper. Examples are used to show that significant improvement in performance, as measured by realistic criteria, of collaborative control over conventional linear quadratic regulator control can be achieved by using proposed design guidelines.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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제4권2호
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pp.169-175
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2002
A sliding mode control of spacecraft attitude tracking with actuator, especially reaction wheel, is presented. The sliding mode controller is derived based on quaternion parameterization for the kinematic equations of motion. The reaction wheel dynamic equations represented by wheel input voltage are presented. The input voltage to wheel is calculated from the sliding mode controller and reaction wheel dynamics. The global asymptotic stability is shown using a Lyapunov analysis. In addition the robustness analysis is performed for nonlinear system with parameter variations and disturbances. It is shown that the controller ensures control objectives for the spacecraft with reaction wheels.
Magnetic actuation utilizes the mechanic torque that is the result of interaction of the current in a coil with an external magnetic field. A main obstacle is, however, that torques can only be produced perpendicular to the magnetic field. In addition, there is uncertainty in the Earth magnetic field models due to the complicated dynamic nature of the field. Also, the magnetic hardware and the spacecraft can interact, causing both to behave in undesirable ways. This actuation principle has been a topic of research since earliest satellites were launched. Earlier magnetic control has been applied for nutation damping for gravity gradient stabilized satellites, and for velocity decrease for satellites without appendages. The three axes of a micro-satellite can be stabilized by using an electromagnetic actuator which is rigidly mounted on the structure of the satellite. The actuator consists of three mutually-orthogonal air-cored coils on the skin of the satellite. The coils are excited so that the orbital frame magnetic field and body frame magnetic field coincides i.e. to make the Euler angles to zero. This can be done using a Neural Network controller trained by PD controller data and driven by the difference between the orbital and body frame magnetic fields.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제8권2호
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pp.89-97
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2007
COMS(Communication, Oceanography, and Meteorology Satellite) is the first Korean multi-purpose satellite which is planned to be deployed at the altitude of geosynchronous orbit above the Korean peninsular. Noting that COMS is composed of the main BUS structure, two deployable solar panels, one yoke, five reactions wheels, COMS is treated as a collection of 9 bodies and its nonlinear equations of motion are obtained using the multi-body dynamics approach. Also, a computer program is developed to analyze the COMS motion during the various mission phase. Quite often, the equations of motion have to be derived repeatedly to reflect the fact that the spacecraft dynamics change as its configuration, and therefore its degree of freedom varies. However, the equations of motion and simulation software presented in this paper are general enough to represent the COMS dynamics of various configurations with a minimum change in input files. There is no need to derive the equations of motion repeatedly. To show the capability of the simulation program, the spacecraft motion during the solar array partial and full deployment has been simulated and the results are summarized in this paper.
In general satellite verification process, the AOCS (Attitude & Orbit Control Subsystem) should be verified through several kinds of verification test which can be divided into two major category like FBT (Fixed Bed Test) and polarity test. And each test performed in different levels such as ETB (Electrical Test Bed) and satellite level. The test method of FBT is to simulate satellite dynamics with sensors and actuators supported by necessary environmental models in ETB level. The VDS (Vehicle Dynamic Simulator) try to make the real situation as possible as the on-board processor will undergo after launch. The purpose of FBT test is to verify that attitude control logic function and hardware interface is designed as expected with closed loop simulation. The VDS is one of major equipments for performing FBT and consists of software and hardware parts. The VDS operates in VME environments with target board, several commercial boards and custom boards based on the VxWorks real time operating system. In order to make time synchronization between VDS and satellite on-board processor, high reliable semaphore was implemented to make synchronization with the interrupt signal from on-board processor. In this paper, the real-time operating environment used on VDS equipment is introduced, and the hardware and software configurations of VDS summarized in the systematic point of view. Also, we try to figure out the operational concept of VDS and AOCS verification test method with close-loop simulation.
Nonlinear sliding surface design in variable structure systems for spacecraft attitude control problems is studied. A robustness analysis is performed for regular form of system, and calculation of actuator bandwidth is presented by reviewing sliding surface dynamics. To achieve non-singular attitude description and minimal parameterization, spacecraft attitude control problems are considered based on modified Rodrigues parameters(MRP). It is shown that the derived controller ensures the sliding motion in pre-determined region irrespective of unmodeled effects and disturbances.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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