International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.1
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pp.99-107
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2017
In this work, the nutation control of rigid spacecraft with only two momentum wheels is addressed by applying the feedback linearization technique. In this strategy, the primary performance index is to regulate the nutational angle by the momentum control of wheels. The spacecraft attitude equations of motion are transformed to a general linearized form by feedback linearization technique, including a guaranteed control law promising the internal dynamics stability to accomplish the nutation angle small. It is proven that the configuration of inertia properties plays a key role in analyzing spacecraft energy level. The behavior of the momentum wheels is also studied analytically and numerically. Finally, the effectiveness of the proposed nonlinear control law for the momentum transfer is verified by conducting numerical simulations.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.1
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pp.82-90
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2014
In this paper, the effect of Lorentz force on the stability of attitude orientation of a charged spacecraft moving in an elliptic orbit in the geomagnetic field is considered. Euler equations are used to derive the equations of attitude motion of a charged spacecraft. The equilibrium positions and its stability are investigated separately in the pitch, roll and yaw directions. In each direction, we use the Lorentz force to identify an attitude stabilization parameter. The analytical methods confirm that we can use the Lorentz force as a stabilization method. The charge-to-mass ratio is the main key of control, in addition to the components of the radius vector of the charged center of the spacecraft, relative to the center of mass of the spacecraft. The numerical results determine stable and unstable equilibrium positions. Therefore, in order to generate optimum charge, which may stabilize the attitude motion of a spacecraft, the amount of charge on the surface of spacecraft will need to be monitored for passive control.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.7
no.2
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pp.14-25
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2006
This paper is focused on designing an implementable control law to perform spacecraft various missions using momentum exchange devices such as reaction wheels(RWs) and control moment gyros(CMGs). A compact equation of motion of a spacecraft installed with various momentum exchange devices is derived in this paper. A hybrid control law is proposed for precision attitude control of agile spacecraft. The control law proposed in this paper allocates control torque to the CMGs and the RWs adequately to satisfy the precision attitude control and large angle maneuver simultaneously. The saturation problem of reaction wheels and the singularity problem of control moment gyros are considered. The problems are successfully resolved by using the proposed hybrid closed loop control law. Finally, the proposed hybrid control law is demonstrated by numerical simulations.
Waimer, Steffen;Manzato, Simone;Peeters, Bart;Wagner, Mark;Guillaume, Patrick
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.5
no.2
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pp.205-223
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2018
During launch a spacecraft is subjected to a variety of dynamical loads transmitted through the launcher to spacecraft interface or air-born transmission excitations in the acoustic pressure field inside the fairing. As a result, spacecraft are tested on ground to ensure and demonstrate the global integrity of the structure against these loads, to screen the flight hardware for quality of workmanship and to validate mathematical models. This paper addresses the numerical modelling and simulation of the low frequency sine and random vibration tests performed on electrodynamic shaker facilities to comprise the mechanical-borne transmission loads through the launcher to spacecraft interface. Consequently, the paper reviews techniques and methodologies to derive a reliable and representative coupled virtual vibration testing simulation environment based on experimental data. These technologies are explored with the main objectives to ensure a stable, reliable and accurate control while testing. As a result, the use of the derived simulation models in combination with the added value of improved control and signal processing algorithms can lead to a safer and smoother vibration test control of the entire environmental test campaign.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.2
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pp.129-138
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2021
Due to the active progress in space programs for various types of ground and space missions, the high agile spacecraft maneuverability is also required. To meet the requirement of the given space missions, the Control Moment Gyros (CMG) for the alternatives of the classical reaction wheels can release the attitude maneuverability restrictions. In addition, the angular rates of the spacecraft is constrained due to the limited actuator characteristics. In this paper, a sliding mode control technique for the attitude control of the spacecraft equipped with the pyramid type of CSCMG(Constant Speed CMG) is designed, and the stability of the control system is guaranteed by using the Lyapunov stability theory. Finally, the control law proposed is analyized by numertical simulations.
Accurate mathematical models of spacecraft components are an essential of spacecraft attitude control system design, analysis and simulation. Gyro is one of the most important spacecraft components used for attitude propagation and control. Gyro errors may seriously degrade the accuracy of the calculated spacecraft angular rate and of attitude estimates due to inherent drift and bias errors. In order to validate this model, nominal case simulation has been performed and compared for the low range mode and high range mode, respectively. In this paper, a mathematical model of gyro containing the relationships for predicting spacecraft angular rate and disturbances is proposed.
A constraint equation-based control law design for large angle attitude maneuvers of flexible spacecraft is addressed in this paper The tip displacement of the flexible spacecraft model is prescribed in the form of a constraint equation. The controller design is attempted in the way that the constraint equation is satisfied throughout the maneuver. The constraint equation leads to a two-point boundary value problem which needs backward and forward solution techniques to satisfy terminal constraints. An observer-based tracking control law takes the constraint equation as the input to the dynamic observer. The observer state is used in conjunction with the state feedback control law to have the actual system follow the observer dynamics. The observer-based tracking control law eventually turns into a stabilized system with inherent nature of robustness and disturbance rejection in LQR type control laws.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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v.4
no.2
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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.
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.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.16
no.11
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pp.1104-1109
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2010
This paper deals with the attitude control of an underactuated spacecraft that has fewer than three actuators. Even though such spacecrafts are known as uncontrollable, restricted missions are possible with controlling two-axis attitude angles. A variable speed control moment gyroscope is considered as an actuator. It is a kind of momentum exchange device and it shows highly nonlinear dynamical properties. Speed commands are generated by kinematic equations represented by Euler angles. A control law, that is designed to make a spacecraft follow the speed commands, is derived by the backstepping method. Angular speeds are estimated from the attitude measurements. Several estimation methods have been compared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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