Pico satellite attitude and attitude rate estimation using kalman filtering
Kalman filtresi kullanılarak pıco uydu yönelim ve yönelim oranı belirleme
- Tez No: 633208
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Geçmişte yaşanılan kazalar uzay görevlerini tek bir uzay aracı üzerinden tasarlamanın risklerini gözler önüne sermiştir. Neyse ki gelişen kontrol yöntemleri tek bir büyük uydu yerine belli bir sayıda küçük uydu kümesinin uzay görevlerinde kullanılmasına olanak sağlamıştır. Özellikle düşük irtifalı yörünge görevlerinde, çoğunlukla takım veya sürü olarak adlandırılan, birden fazla küçük uydunun bir uzay görevini gerçekleştirmesi senaryosu ile görev tasarımları gerçekleştirilmiş ve bu görevler başarıyla sonuçlanmışlardır. Bu tarz görevlerde çokça tercih edilen piko-uydular, küçük uydular sınıfının bir alt üyesidir. Faydalı yük olarak çeşitli bilimsel deney düzenekleri veya mühendislik gereçleri taşıyan bu uydular, maksimum 1 kg ağırlığında üretilmektedir. Uydunun görece küçük olan boyutları göz önünde bulundurulduğunda, uzay görevi için hayati öneme sahip alt sistemlerden biri olan yönelim belirleme ve kontrol sistemi kısıtlı hacme uyum sağlamak üzere geliştirilmiştir. Bu doğrultuda, yönelim belirleme donanım aracı olarak çoğunlukla, hafiflik, güvenilirlik, düşük güç tüketimi ihtiyacı özelliklerine sahip olan manyetometre ve güneş sensörü tercih edilmektedir. Piko-uyduların seyrüseferi sırasında karşılaşılan en büyük problemlerden birisi, yönelim belirleme esnasında yürütülen hesaplama işleminin gereğinden uzun sürmesidir. Bir diğer problem ise sefer sırasında hatalı çalışan bir sensörün ortaya çıkması ya da çeşitli sebeplerle bozulmasıdır. Piko-uydular boyutları ve güç bütçeleri göz önüne alındığında yüksek performansa sahip bilgisayarlar taşımak yerine, faydalı yükü daha uygun bir şekilde kullanmak amacıyla, genellikle yer istasyonlarında yapılan veri işlemeleri, hesaplamalar ve bu hesaplamaların uzay araçlarına gönderilmeleri ile kontrol edilirler. Ancak eğer uyduya gönderilen radyo sinyalini alacak sensörde bir arıza mevcut ise bunu telafi etmek görevin başarısı için hayati önem taşımaktadır. Bu çalışmada, durum vektörü Euler açıları ve bu açıların açısal hızları olmak üzere 6 serbestlik derecesi ile oluşturulmuştur. Ek olarak, yönelim kestirimi için uygulanacak yöntemlerde kullanılacak ölçüm sensörleri, manyetometre ve güneş sensörü olarak seçilmiştir. Piko-uyduların yönelim kestiriminde en çok tercih edilen yöntemlerden biri olan genişletilmiş Kalman filtresi, uydu yüksek hızda dönerken verimli sonuç vermemektedir. Bu yüzden, ağır hesaplama yükünden kurtulmak ve uydu yüksek hızda dönerken dahi yönelim kestirimini gerçekleştirebilmek için ilk olarak statik yönelim belirleme yöntemleri incelenmiştir. Bu doğrultuda, yönelim açılarının ve açısal hızlarının kestirimi için iki farklı yaklaşım izlenmiştir. Vektör esaslı yöntemlerden ilki, yönelim açılarının kestirimi için kullanılan iki vektör algoritmasıdır (TRIAD). İki vektör algoritması, yalnızca cebirsel işlem uygulanarak gerçekleştirilir. İkinci yöntem ise, açısal hızların kestirimi için kullanılan en küçük kareler yöntemi (ARES) yaklaşımıyla oluşturulmuş iteratif bir yöntemdir. Gerçekleştirilen simülasyonlarda, bu yöntemin doğruluk ölçütünün, ölçüm modeli olarak kullanılan sensörlerin doğruluk seviyeleri ile doğrudan ilişkili olduğu görülmüştür. Yönelim kestirimine ek olarak, belirtilen yöntemlerin kovaryans analizleri de gerçekleştirilmiştir. Vektör esaslı yöntemler yüksek hızlı hesaplama sağlamalarına rağmen düşük doğruluk seviyesine sahiptirler. Bu nedenle, vektör esaslı yöntemler en yaygın kullanılan yönelim belirleme yöntemlerinden biri olan genişletilmiş Kalman filtresine entegre edilmiştir. Ortaya çıkan bu yeni yöntem ile yönelim açıları, açısal hızları ve bunların kovaryansları iki vektör algoritması ve en küçük kareler yöntemi yaklaşımları kullanılarak elde edilmiştir. Elde edilen çıktılar Kalman filtresine ölçüm modeli olarak beslenmiştir. Mevcut durumda ölçüm modeli lineer hale getirilmiş olup, bu yöntem geleneksel olmayan genişletilmiş Kalman filtresi olarak ifade edilmiştir. Ölçüm modelleri çeşitli varyasyonlarla oluşturularak farklı yönelim kestirim yöntemleri elde edilmiştir. Bu yöntemlerin herbiri simüle edilmiş ve çıktıları hataların ortalamasının karekökü üzerinden karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlara göre, geleneksel genişletilmiş Kalman filtresi yaklaşımının geleneksel olmayan genişletilmiş Kalman filtresinden daha büyük doğrulukla sonuç verdiği görülmüştür. İlgilenilen bir diğer problemde, manyetometre sensöründe oluşabilecek bir hata senaryosu yaratılmıştır. Genişletilmiş Kalman filtresi kullanılan senaryoda, manyetometre modeline doğrudan kayma eklenerek veya manyetometrenin gürültü vektörü bir sabit ile çarpılarak sisteme belli bir iterasyon aralığında hata tanımlanmıştır. Bu durumda gerçekleştirilen simülasyonda, genişletilmiş Kalman filtresinin yönelim kestirimini yüksek hata payı ile gerçekleştirdiği gösterilmiştir. Hata payını kabul edilebilir bir sınıra çekmek için genişletilmiş Kalman filtresine bir iyileştirme çalışması yapılmıştır. Burada belirtilen çalışma, sensörde meydana gelebilecek olası bir hatanın tespit edilmesini ve ayrıştırılmasını ve hatanın elimine edilmesini içermektedir. Genişletilmiş Kalman filtresinin doğası gereği hesapladığı, tahmin edilen durum vektöründeki artık kullanılarak gözetleme istatistiği oluşturulmuştur. Gözetleme istatistiği, bir diğer deyişle chi-kare testi, her bir iterasyon adımında sistemin serbestlik derecesi ve istenilen doğruluk oranına göre seçilen eşik değeri ile karşılaştırılır. Eşik değeri aşıldığı durumda sistemde arıza olduğu kabul edilir. Arıza tespit sisteminin ikinci aşamasında ise, hesaplanan normalize edilmiş inovasyon değeri kullanılarak hangi manyetometrenin arızalı çalıştığı tespit edilebilmektedir. Uygulanan algoritmanın çalışma prensibi gereğince, ölçüm sensöründe bir hata mevcudiyeti söz konusu olduğunda, genişletilmiş Kalman filtresi yerine gürbüz genişletilmiş Kalman filtresi devreye girmektedir. Aksi takdirde, genişletilmiş Kalman filtresi aynı şekilde çalışmaya devam etmektedir. Gürbüz genişletilmiş Kalman filtresi algoritmasında ek olarak hesaplanan ölçek faktörü, Kalman kazancını değiştirerek sensördeki hatanın elimine edilmesine olanak sağlamaktadır. Bu şekilde otonom olarak çalışan algoritma, yönelim açılarını ve açısal hızları başarılı bir şekilde tahmin edilebilmektedir. Simülasyon sonuçlarına göre, sisteme sürekli olarak arıza tanımlanması durumunda gürbüz genişletilmiş Kalman filtresinin biriken hatayı elimine etmede başarılı olmadığı görülmüştür. Bunun yerine, arıza yalnızca belirli bir iterasyon aralığında tanımlandığında gürbüz genişletilmiş Kalman filtresinin kabul edilebilir bir doğrulukla başarılı bir şekilde çalıştığı söylenebilir. Bu çalışmanın devamı olarak, sensörde meydana gelen hataların çeşitlerinin tespit edilmesi ve bu hataların giderilmesi için gereken kapsamlı senaryolar geliştirilebilir. Yukarıda belirtilen tüm algoritmalar MATLAB programlama dili kullanılarak oluşturulmuş ve simülasyonlar bu ortamda gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar neticesinde elde edilen sonuçlarda Euler açılarının ve açısal hızların kestirimi, hata payları ve kovaryans analizleri ile birlikte sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
One of the most commonly encountered critical problems in spacecraft navigation is the computational burden during attitude determination. Another problem can be defined as a faulty or malfunctioning onboard sensor during the space mission. When it comes to small satellites that are not designed to carry high-performance computers to the space, difficulties in efficient data processing and computation may arise which could be resolved via ground stations. The information processed on Earth are then transmitted to the spacecraft to achieve satisfactory control over the vehicle. However, in the case of a malfunctioning receiver, it is highly crucial to compensate it for the sake of the mission. In this work, static attitude determination methods were investigated to alleviate the computation burden. For this purpose, two approaches which use the data obtained from magnetometer and sun sensor were presented to estimate the attitude angles and angular velocities. Additionally, covariance analyses were conducted for the corresponding methods. Since, these vector-based methods have low accuracy while ensuring fast computation, they were implemented into one of the most common attitude determination methods, Extended Kalman Filter (EKF). The attitude angle, angular velocity estimations and their covariances were obtained by TRIAD and ARES approaches, and the outputs were employed in the EKF as measurement model. By doing so, the applied non-traditional approach of EKF was linearized in terms of the measurement models. The results of EKF and non-traditional EKF were compared and presented. The traditional EKF approach was succeed more accurate results than the non-traditional EKF. Furthermore, a Robust Extended Kalman Filter (REKF) technique was introduced in case of a existing faulty sensor within the system. This method includes the detection and isolation of the failures in sensors. In this way, it is possible determine which sensors are malfunctioning. Regarding the working principle of the algorithm, in a presence of a fault in the measurement sensors, the EKF behaves as REKF, otherwise it proceeds normally. As a result, the attitude angles and the angular velocities used to achieve attitude determination were simulated autonomously with presence of a fault and satisfying results are obtained. Simulation results showed that if a perpetual fault was defined to the system, it led to accumulation and the algorithm was not found to be robust enough to eliminate it. However, if the fault was given within a certain time interval, then the REKF scheme was found to be working successfully with an acceptable accuracy. As future work, the aim is to extend this study by diagnosing the fault and achieving its recovery.
Benzer Tezler
- Piko uydu için işletim sistemine görev entegrasyonu
Integration of the pico-satellite functions into the rtos
BURAK SAĞLAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TURGUT BERAT KARYOT
- Piko uydu görüntüleme sistemi tasarımı ve entegrasyonu
Design and integration of imaging system of a pico satellite
TAŞKIN BALTACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. T. BERAT KARYOT
- Bir uydunun fırlatma esnasında maruz kaldığı yükler altındaki yapısal davranışının incelenmesi
Structural behavior of a satellite subjected to launch loads
ALİ GÜNDOĞDU
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Flow sensing with a piezoresistive silicon nanowire-based mems force sensor
Piezorezistif silikon nanotel tabanlı mems kuvvet sensörü ile akış algılama
LEVENT DEMİRKAZIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Göksu nehri (Kuzeydoğu Akdeniz) etki alanı ve civarında pikoplankton (heterotrofik bakteri, Synechococcus ve Prochlorococcus)'un yüzey suları ve su kolonunda mevsimsel dağılımı
Seasonal distribution of pikoplankton (Heterotrofic bacteria, Synechococcus and Prochlorococcus) in the surface water and water column of Goksu river discharge area (Northeast Mediterranean)
ECE KILIÇ
Doktora
Türkçe
2021
Deniz Bilimleriİskenderun Teknik ÜniversitesiSu Ürünleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEBİL YÜCEL