موقعیت یابی و تعیین وضعیت همزمان ماهواره با استفاده از حسگر ردیاب ستاره‌ای و الگوریتم‌های تلفیق مبتنی بر دینامیک ماهواره

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در این مقاله، امکان تعیین همزمان موقعیت و وضعیت ماهواره به ­کمک حسگر ردیاب ستاره بررسی شده است. در ابتدا معادلات 6 درجه آزادی حرکت ماهواره به­کمک قوانین نیوتن و اویلر استخراج و با درنظرگرفتن نیروی جاذبه زمین و گشتاور گرادیان جاذبه، حرکت ماهواره در مدار زمین شبیه­سازی شده ­است. سپس با استفاده از کاتالوگ ستارگان و مسیر حرکت، خروجی حس­گر تولید می­شود. در این پژوهش از فیلتر UKF استفاده می­شود. در هر گام با کمک معادلات حاکم، متغیرهای حالت در گام قبل و خروجی حس­گر، سرعت زاویه­ای ماهواره نسبت به دستگاه اینرسی و جهت­گیری دستگاه بدنه نسبت به ناوبری تخمین زده شده و به­عنوان ورودی فیلتر در گام جدید مورد استفاده قرار می­گیرند. با توجه به       شبیه­ سازی­ها، تقریباً پس از یک گردش ماهواره حول زمین، فیلتر همگرا شده و نسبت خطای فیلتر به خطای حل دینامیک برای زوایای رول و یاو در حد 2 درصد و برای زاویه پیچ و سرعت­های زاویه­ای در حدود 33 درصد می­باشد. برای کاهش خطای تخمین متغیرهای حالت مرتبط با سرعت و موقعیت، نیاز به زمان بیش­تری بوده و در پایان سیکل ششم، عملکرد فیلتر در تخمین این پارامترها به­ طور متوسط 40 درصد بهتر می­باشد.

کلیدواژه‌ها

مراجع

  1. Sadeghi, H. “UKF for Simulaneous Attitude and Orbit Determination using Sensor Fusion Algorithm Based on the Dynamic of Satellite and Sun Sensor”, Magnetometer and Star Trcker. Sharif University of Technology, Mechanical Engineering, 2013.(in Persian)
  2. Crassidis, J.L. and Markley, F.L. “Unscented Filtering for Spacecraft Attitude Estimation”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 26, No. 4, 536-542, 2003.
  3. Wahba, G. “A Least Squares Estimate of Satellite Attitude”, SIAM Review, Vol. 7, No. 3, pp. 409-409, 1965.
  4. Shuster, M.D. and Oh, S.D. “Three-Axis Attitude Determination from Vector Observations”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 4, No. 1, pp. 70-77, 1981.
  5. Choukroun, D., Weiss, H., Bar-Itzhack, I.Y. and Oshman, Y. “Quaternion Estimation from Vector Observations using a Matrix Kalman Filter”, Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, Vol. 48, No. 4, pp. 3133-3158, 2012.
  6. Yang, Y. “Spacecraft Attitude Determination and Control: Quaternion Based Method”, Annual Reviews in Control, Vol. 36, No. 2, 198-219, 2012.
  7. Enright, J., Sinclair, D., Grant, C., McVittie, G. and Dzamba, T. “Towards Star Tracker Only Attitude Estimation”, 2010.
  8. Lo, J.H. “Optimal Estimation for the Satellite Attitude using Star Tracker Measurements”, Automatica, Vol. 22, No. 4, pp. 477-482, 1986.
  9. Xiong, K., Liang, T. and Yongjun, L. Multiple Model Kalman filter for Attitude Determination of Precision Pointing Spacecraft. Acta Astronautica, Vol. 68, No. 7, pp. 843-852, 2011.
  10. Brady, T., Tillier, C., Brown, R., Jimenez, A. and Kourepenis, A. “The Inertial Stellar Compass: A New Direction in Spacecraft Attitude Determination, 2002
  11. Quan, W., Xu, L., Zhang, H. and Fang, J. “Interlaced Optimal-REQUEST and Unscented Kalman Filtering for Attitude Determination”, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 26, No. 2, pp. 449-455, 2013.
  12. Xinlong, W., Bin, W. and Hengnian, L. “An Autonomous Navigation Scheme Based on Geomagnetic and Starlight for Small Satellites”, Acta Astronautica, Vol. 81, No. 1, pp. 40-50, 2012.
  13. Singla, P., Crassidis, J.L. and Junkins, J.L. “Spacecraft Angular Rate Estimation Algorithms for Star Tracker-Based Attitude Determination”, Advances in the Astronautical Sciences, Vol. 114, pp. 1303-1316, 2003.
  14. Crassidis, J.L., Markley, F.L. and Cheng, Y. “Survey of Nonlinear Attitude Estimation Methods”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 30, No. 1, pp. 12-28, 2007.
  15. Park, E.S., Park, S.Y., Roh, K.M. and Choi, K.H. “Satellite Orbit Determination using a Batch Filter Based on the Unscented Transformation. Aerospace Science and Technology, Vol. 14, No. 6, pp. 387-396, 2010.
  16. Wu, J., Liu, K., Wei, J., Han, D. and Xiang, J. “Particle Filter using a New Resampling Approach Applied to LEO Satellite Autonomous Orbit Determination with a Magnetometer”, Acta Astronautica, Vol. 81, No. 2, pp. 512-522, 2012.
  17. Nobahari, H. and Mohammad-Karimi, H. “Strap Down Inertial Navigation System. Sharif University of technology, Aerospace Engineering, 2012, (in Persian).
  18. Ogata, K. “Modern Control Engineering”, 4th Edition, Prentice Hall, 2002.
  19. Rogers, R.M. “Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems, Vol. 1, Aiaa. 2003.
  20. Ginsberg, J. “Engineering Dynamics”, Vol. 10, Cambridge University Press, 2008.
  21. Titterton, D. and Weston, J.L. “Strapdown Inertial Navigation Technology, Vol. 17, IET. 2004.
  22. Siahpush, A. and Sexton, A. “A Study for Semi-Passive Gravity Gradient Stabilization of Small Satellites”,1987.
  23. Bar-Itzhack, I.Y. “REQUEST-A Recursive QUEST Algorithm for Sequential Attitude Determination”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, No. 5, pp. 1034-1038, 1996.
  24. Hall, C.D. “Spacecraft Attitude Dynamics and Control”, Lecture Notes Posted on Handouts Vol. 12, 2003.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 02 اردیبهشت 1396
  • تاریخ بازنگری: 01 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش: 28 شهریور 1397
  • تاریخ انتشار: 01 بهمن 1396

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار