مسابقه ماهواره دانشجویی مکعب ایرانی

زیر سیستم تعیین و کنترل وضعیت

1

تعیین و کنترل وضعیت

جهت گیری زاویه ای ماهواره نسبت به یک دستگاه مختصات مرجع کنترلو اندازه گیری

عملگر حسگر

حسگرها

Gyroscope & Accelerometer

Earth & Horizon Sensor

Sun Sensor

Star Tracker

Magnetometer

Global Positioning System

عملگرها

Reaction/ Momentum

Wheel

Thruster

Magnetorquer

Control Moment Gyro

Solar Sail

Gravity Gradient

2

Attitude Determination and Control

تفاوت دقت حسگرها

Reference Accuracy

Stars 1 arc second

Sun 1 arc minutes

Earth (horizon) 6 arc minutes

Magnetic Field 30 arc minutes

Inertial Space 0.01 deg/hour

GPS 6 arc minutes

3 انتخاب نوع حسگرها به نوع ماموریت و بودجه وابسته است

روش های پایدارسازی

Iz<< Ix, Iy Gravity Gradient

Iz<Ix=Iy Spin stabilization

Three- axis stabilization

Magnetorquer

Reaction/ Momentum Wheel

Dual Spin استفاده از ممانGravity Gradient

پایداری سازی

4

ستاره یاب

Lost in Space محور را معین می کند 3بدون داشتن اطالعاتی از وضعیت پیشین، جهت گیری در هر

Tracking بعد از یکبار تعیین وضعیت گمشده در فضا، می تواند از اطالعات قبلی استفاده کند

محوره 3دقیق ترین حسگر

CCD, Active Pixel Sensor (APS), CMOS: آشکارساز ستاره یاب

شناسایی الگوی ستاره با استفاده از پایگاه داده از پیش محاسبه شده در حافظه

به دلیل پیچیدگی الگوریتمی و هزینه های باال، این سنسور برای ماهواره های کوچک توصیه نمی شود

5

حسگر خورشید

Coarse Sun Sensors (CSSs)

Fine or digital Sun Sensors (DSSs)

به شدت تابش نور برخورد کننده( جریان الکتریکی)تبدیل خروجی فوتوسل

تک محوره به تنهایی اطالعات مفیدی از جهت بردار خورشید به دست نمی دهد، با زاویه معینی

دو حسگر خورشید مورد استفاده قرار می گیرددو محوره

درجه قرار میگیرند 90برای تعیین سه مولفه بدنی بردار خورشید، دو حسگر با زاویه

6

Earth Horizon Sensorحسگر زمین یا افق

Scanning و کرده جاروب را مخروط یک مساحت که چرخان (آینه) آشکارساز یک از استفاده

می کند حس را زمین قرمز مادون تابش خروج و ورود

7

Static جهت یک در زمین از بزرگتر دیدی میدان توسط را زمین سطح قرمز مادون تابش

نشانه روی با ماهواره ها و دایروی مدارات به محدود .می کنند گیری اندازه مشخص کوچک رول و پیچ زوایای و زمین

Cubesat برای مناسب

مغناطیس سنج

Search Coil spin stabilizedقابلیت اندازه گیری میدان های متغیر، استفاده روی ماهواره های

Ionized gas magnetometer نسبتاً سنگین، دقت باال، استفاده از گاز با حالت الکترونی کم ثبات

Flux gate magnetometer متداول، به نسبت سبک و ارزان قیمت، نیازمند مدل دقیقی از میدان مغناطیسی زمین،

محدود به ارتفاعات پایین، نیازمند کالیبراسیون

Vector sensors: Both direction and Magnitude

8

ژیروسکوپ

Rate Gyros نرخ های زاویه ای را اندازه گیری می کند

Rate Integrating Gyros (RIG) با انتگرال گیری از نرخ ها، جابه جایی زاویه ای را اندازه گیری می کند

انواع ژیروسکوپ ها MEMS

Spinning-mass gyros

Hemispherical Resonator Gyroscope (HRG)

Optical gyros, Fiber Optic Gyros (FOG)

Coriolis vibratory gyros (CVGs) or Vibrating Structure Gyros

(VSG)

Dynamically tuned gyros or dry tuned-rotor gyros (DTGs)

Ring Laser Gyro (RLG)

9

مقایسه استفاده از حسگرها بر حسب دقت مورد نیاز

10

عملگرها

Internal Actuators

Momentum/ Reaction Wheel

Control Moment Gyroscope

External Actuators

Magnetic coils

Thrusters

Solar Radiation pressure

11

تولید نیرو و ممان در جهت و مقدار معین مطابق با الگوریتم کنترلی

12

مومنتومی/ چرخ های عکس العملی

هر دو دیسک های گردانی هستند که توسط موتور الکتریکی کنترل شده و به منظور دخیره .یا انتقال مومنتوم مورد استفاده قرار میگیرد

مومنتوم تولید برای العملی عکس چرخ دور تعداد چرخیدن موجب و گشته زیاد و کم می تواند کنترلی . شود ماهواره

چرخ مشخص، جهت یک در ماهواره چرخاندن برای .بچرخد مخالف جهت در باید العملی عکس

می شوند جمع دیسک در که اغتشاشی مومنتوم های .شوند زدایی اشباع باید یکبار وقت چند هر

حالت و بوده ثابت همواره مومنتومی چرخ موتور دور .می کند ایجاد ماهواره برای اسپین پایداری

13

Control Moment Gyro

ها با CMGمهمترین تفاوت

:چرخ های عکس العملی

استفاده از جا به جایی قاب

gimbal برای تغییر مومنتوم

به جای تغییر دور

روتور چرخان روی قاب متصل به موتور برای تغییر جهت مونتوم زاویه ای

Single Gimbal

Dual Gimbal

Variable Speed

14

Magnetic Coil/ Magnetorquer

میدان ایجاد باعث الکتریکی جریان عبور که شده پیچ سیم فرومغناطیسی هسته مغناطیسی میدان این با زمین مغناطیسی میدان کنش برهم .می شود آن در مغناطیسی

.می کند گشتاور تولید

پایداری اسپین اشباع زدایی از چرخ های عکس العملی(Momentum Dumping & De-saturate)

Detumbling اثر منفی روی ستاره یاب

15

Thrusters

Reaction Control System (RCS)سیستم کنترلی واکنشی

(زوایای رول، پیچ و یاو )کنترل وضعیت و دوران حفظ وضعیت در مدار مانورهای اتصال و جدایش ماهواره ها و سفینه ها انتقال مداری

تراسترهای ورنیه

- Cold Gas

- Monopropellant

- Electric Thrusters

16

Solar Sail

خورشید نور تابش از ناشی فشار نیروی و انعکاس از تراست تولید

هواپیما آیرودینامیکی پنل های مشابه

17

Attitude

Control

Task

Attitude

Actuators

Commands Desired

Attitude

Attitude

Sensors

Attitude

Determination

Task

Actual

Attitude

Estimated

Attitude

حلقه کنترلی

18

دستگاه های مختصات

دستگاه مختصات اینرسی Earth Centered Inertial Frame (ECI)

عبور می کند Vernal Equinoxاین دستگاه از xمحور این دستگاه در جهت محور دوران زمین zمحور

Declinationو Right Ascensionبیان زوایا به صورت دو زاویه

19

دستگاه مختصات زمین مرکز زمین ثابت

Earth Centered Earth Fixed

دستگاه های مختصات

ECIتفاوت با دستگاه

چرخش متناسب با سرعت زاویه ای زمین

20

دستگاه های مختصات

دستگاه مختصات جغرافیایی Latitude, Longitude, Altitude (LLA)

GPSدستگاه مورد استفاده در

NED NEZ

21

دستگاه مختصات محلی یا توپوسنتریک NEZ, SEZ, NED

دستگاه های مختصات

SEZ

22

دستگاه های مختصات

دستگاه مختصات مداری Perifocal Reference Frame (PQW)

صفحه اصلی صفحه مدار است مرکز زمین

حضیض Perigeeبه سمت Pمحور در جهت حرکت ماهواره Pدرجه از محور 90به فاصله Qمحور عمود بر صفحه مدار Wمحور

23

روش های تخمین وضعیت

استفاده از بردارهای وضعیت در دو دستگاه متفاوت برای بدست آوردن جهت گیری زاویه ای

:روش های جبری یا روش های استاتیک اندازه گیری ها در دو توالی یکسان یا بسیار نزدیک بهم اتفاق می افتد

- TRIAD

- Wahba’s problem

- Davenport’s Q- Method

- Quaternion Estimator – Quest

- Estimator of the Optimal Quaternion (ESOQ)

- Second Estimator of the Optimal Quaternion (ESOQ2)

- Singular Value Decomposition (SVD) Method

:روش های بر مبنای فیلترها حافظه ای از وضعیت های پیشین

- Kalman Filter

- Extended Kalman Filter

- Unscented filter

24

مودهای عملکردی ماهواره

OFF

Check

Sleep

Stand By

Detumbling

Safe Mode

Pointing

ADCS

Detumble

Slew

Spin-Up

Spin stabilization

Science Mode

Vertical pointing mode

Orbit rate rotation mode

Special pointing mode

گشتاورهای اغتشاشی

Gravity Gradient: “Tidal” Force due to 1/r2 gravitational field

variation for long, extended bodies (e.g. Space Shuttle, Tethered

vehicles)

Aerodynamic Drag: “Weathervane” Effect due to an offset between

the CM and the drag center of Pressure (CP). Only a factor in LEO.

Magnetic Torques: Induced by residual magnetic moment. Model

the spacecraft as a magnetic dipole. Only within magnetosphere.

Solar Radiation: Torques induced by CM and solar CP offset. Can

compensate with differential reflectivity or reaction wheels.

Mass Expulsion: Torques induced by leaks or jettisoned objects

Internal: On-board Equipment (machinery, wheels, cryocoolers,

pumps etc…). No net effect, but internal momentum exchange affects

attitude.

25

26

منابع و مراجع مفید

• Spacecraft dynamics and control, J Sidi

• Fundamentals of spacecraft attitude determination and control,

J. Crassidis, F. Markley

• Space Mission Analysis and Design, James Wertz