Magnetic attitude control of a nanosatellite
Bir nano uydunun manyetik yönelim kontrolü
- Tez No: 740280
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 158
Özet
Uzay Çağı ilk uydu olan Sputnik-1'in 1957 yılında fırlatılmasıyla başlamış olup uzay teknolojileri ile ilgili araştırma ve çalışmalar ivmelenerek günümüze kadar ulaşmıştır. İlk uydunun fırlatılmasıyla uzay teknolojilerinin önemi ve potansiyel yararları hızla keşfedilmeye başlanmıştır. Uyduların ilk görevleri haberleşme, Dünya'nın fotoğraflanması ve uzay ortamında yapılan çeşitli ölçümlere dayansa da günümüzde uydular çok daha geniş bir perspektifte hizmet sunmaktadır. Uzun yıllar boyunca uyduların kabiliyetleri boyutları ve kütleleriyle neredeyse paralel ilerlemişken teknolojide yaşanan gelişmeler daha küçük uyduların yapılmasına imkan tanımıştır. Benzer kabiliyetlerde çok daha düşük kütle ve hacimlerde geliştirilen uydular, uydu yapımındaki ve fırlatmasında ki maliyetlerin de düşmesini sağlamıştır. Uydu teknolojilerinde çalışmak için gerekli maliyetlerin düşmesi uyduların yalnızca askeri ya da devletlere bağlı teknolojiler olmaktan çıkmasını, üniversitelerin de bu alanda çalışabilmesini sağlamıştır. Hatta günümüzde kendi uydusunu yapıp uzaya gönderen çeşitli lise veya ortaokullar bile mevcuttur. Uydular küçülürken kısıtlı hacmin en verimli şekilde kullanılması aslında temel mühendislik problemlerinden biri haline de gelmiştir. 1999 yılında ilk küp uydu lisans öğrencilerinin bu teknolojiye uyum sağlayabilmeleri ve bu konuda çalışmalar yapabilmeleri amacıyla Kaliforniya Eyalet Politeknik Üniversitesi'nde geliştirilmiştir. Konsept kısa zamanda Dünya'ya yayılarak bir standart haline gelmiştir. Bu standartta 1U yani 1 birimlik bir uydunun boyutları 10X10X10 cm olarak tanımlanmıştır. Günümüzde nano uydular için en çok tercih edilen platformun küp uydular olduğunu söylemek yanlış olmaz. Bu tezde de, bahsedilen standartlar dahilinde sahip olabileceği azami kütle ve boyutlarda olan 3U'luk, yani 3 birimlik bir küp uydunun yalnızca manyetik eyleyiciler kullanılarak kontrolü incelenmiştir. Daha önce değinildiği gibi uzay alanında yapılan ilk çalışmalar arasında çeşitli ölçümler de yer almaktadır. Dünya'nın manyetik alanının ölçülmesi yapılan bu ilk ölçüm çalışmalarında önemli bir yer tutmaktadır. Buna rağmen en kapsamlı ölçümlerin başında 1979 yılında fırlatılan Explorer-61'in yaptığı ölçümler yer almaktadır. Bu ölçümlerden önce de manyetik alan bilindiği için uydu yöneliminin kontrol altına alınmasında kullanılması henüz Uzay Çağı'nın ilk yıllarında gerçekleşmiştir. Manyetik eyleyicilerle ilk aktif kontrol ise aslında manyetik torklayıcılarla yapılan ilk kontroldür. Manyetik torklayıcıların ilk kullanıcısı bir meteoroloji uydusu olan TIROS-2 olmasıyla birlikte, 1960 yılında kullanılan sistem sadece tellerin uydunun etrafına sarılmasından ibaretti. Uyduların küçülmesi ve teknolojinin gelişmesi her türlü yönelim kontrol sisteminin daha zorlayıcı gereksinimlere ve isterlere sahip olmasını beraberinde getirdi. Bu sebeple eyleyicinin kendisi kadar kullandığı kontrol algoritması da oldukça önemli bir hale geldi. Üç eksende kontrol Uzay Çağı'nın henüz başlarında önemi anlaşılan bir konuydu. İlk üç eksende kontrol ise 1959 yılında gerçekleştirilmiştir. Kontrolcülerle ilgili uzun çalışmalar yapılmış olmakla birlikte üç eksende yalnızca manyetik eyleyiciler kullanarak kontrol yapılması hala tazeliğini koruyan bir araştırma konusudur. Hatta bunu başaran ilk nano uydu henüz 2000'lerin başında fırlatılmıştır. Bu tezin de ana konusu olan bu kontrol yöntemi için yine literatürde örneğine sıkça rastlanan PD ve LQR kontrolcüleri seçilmiştir. PD kontrolcüler hayatımızın her alanında karşımıza çıkmakla birlikte kazanç matrislerinin en optimum şekilde belirlenmesi ayrı bir araştırma konusudur. Bunun için en yaygın kullanılan yöntem deneme yanılma yöntemi olsa da çeşitli optimizasyon yöntemlerini kullanmak da mümkündür. Parçacık sürü optimizasyonu bu tezde temel optimizasyon algoritması olarak tercih edilmiştir. PD kontrolcünün kazançları da bu yöntemle optimize edilmiştir. Kullanılan bir diğer kontrolcü olan LQR kontrolcünün kazancı zaten bir optimizasyon sonucu elde edilmektedir. Burada optimize edilen parametre ise kazanç hesabında kullanılan ve kullanıcı tarafından verilen Q matrisidir. Her iki optimizasyon işlemi temelde 3 farklı yaklaşımla ele alınarak sonuçlar incelenmiştir. Bu yaklaşımlardan ilki deterministik yaklaşım olup, sistemde herhangi bir gürültünün olmadığı ve her bir verinin tam olarak bilinebildiği varsayımına dayanır. Gerçek hayattan uzak olan bu model teorik yaklaşımların test edilmesi için oldukça uygundur. Ardından manyetometre, Güneş sensörü, Dünya sensörü ve jiroskop ile yapılan ölçümlere gürültü eklenerek uydu yönelimi bu gürültülerle birlikte tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu işlem için TRIAD yöntemi kullanılırken sisteme gürültü eklenmesi optimizasyonun işini zorlaştırarak optimum noktanın bulunmasını güçleştirmiştir. Böylece beklendiği üzere yönelim kontrolünde önemli bir hassasiyet kaybı yaşanmıştır. Kullanılan üçüncü yaklaşımda ise ölçüm değerlerinin hatası ve bu hatanın salınımını düşürerek optimizasyonu verimli hale getirmek için Kalman Filtresi kullanılmıştır. Özellikle hata salınımının azalması çözüm uzayının değişkenliğini de azaltarak optimizasyon için daha stabil sonuçlar elde etmeyi de mümkün kılmıştır. Stabil hale gelen çözüm uzayında optimizasyon ile elde edilen parametreler sonucunda kimi zaman deterministik yaklaşıma yakın sonuçlar bile elde edilmiştir. Değişken çözüm uzayının etkisinin azaltılabilmesi için optimize edilmeye çalışılan her bir parametre 10 defa simülasyona verilmiş ve bu koşuların sonucunda elde edilen ortalama maliyet değeri en aza indirgenmeye çalışılmıştır. Tezde kullanılan 3U küp uydu platformundaki nano uydu için bir manyetik tork çubuğu ve hava göbekli manyetik torklayıcı da tasarlanmıştır. Yapılan literatür taraması ile belirlenen ister ve kısıtlar kullanılarak manyetik torklayıcı için bir tasarım uzayı oluşturulmuştur. Oluşturulan bu tasarım uzayı yine parçacık sürü optimizasyonu kullanılarak taranmış ve olası optimum tasarım çözümleri elde edilmiştir. Optimize edilen tasarım sonucu üretilebilecek azami manyetik dipol, sistemin kontrolü esnasında manyetik torklayıcının doyum limiti olarak uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar neticesinde görülmüştür ki, kazanç değerlerinin tespiti konusunda parçacık sürü optimizasyonu kullanmak, olası en iyi çözüme ulaşabilmek adına elzemdir. Gürültülü ölçümlerle yönelim tespitinin yapıldığı durumda optimizasyon beklendiği gibi değişken çözüm uzayından dolayı yüksek performans gösterememektedir. Fakat gürültülü ölçümler sonucu elde edilen yönelim bilgisi filtrelenerek yönelim bilgisindeki hata ve bu hatanın salınımı düşürülürse çözüm uzayındaki değişim de daha kısıtlı hale gelir. Bunun sonucunda optimizasyon yöntemi beklenildiği gibi çalışarak yalnızca manyetik eyleyicilerin kullanıldığı kontrol yöntemi ile başarılı sonuçlar elde edebilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a PD and LQR controller is used to control attitude of a nanosatellite with using only magnetorquers. Three different approaches are used for that. Firstly, a deterministic approach is used with the assumption of exact knowledge of data. Secondly, magnetometer, Sun sensor, horizon sensor, and gyroscope are modeled as noisy devices to make the simulations more realistic. Measurements of vector measurement devices are used in TRIAD method to determine attitude. Thirdly, these measurements are filtered with a basic linear Kalman Filter. All these three test cases are used for both controllers with two different satellite models. One of the model is a gravity gradient stable satellite and used as a verification model. The other model is a basic 3U CubeSat orbiting in Sun-synchronous orbit. Tuning the gains of PD controller and Q matrix of LQR is also considered during this thesis. Gain matrices of PD controller is assumed diagonal and tried to be optimized for all the test cases and models. Similarly, Q matrix of LQR controller is considered as diagonal matrix to optimize it. The aim of this optimization process is to obtain a performance increase on attitude control. Also, particle swarm optimization is used for this process. Lastly, magnetorquers, that are used in 3U CubeSat model, are designed in the thesis. One torquerod for two axes and one air core torquer for one axis are designed. The design space of magnetic torquers is created with respect to a literature review for magnetic torquers. Then, the optimized design is selected from this design space with the help of particle swarm optimization. Results of the thesis showed that, achieving 1-2 degree pointing accuracy for each Euler angle with optimized parameters is possible when deterministic case is used. On the other hand, adding noise to measurements and using TRIAD for attitude determination decreased the performance of optimization. It is really hard to work on randomly changed solution space with basic optimization algorithms. While the optimization is running, the run is repeated 10 times to get more stable and high performance results. TRIAD cannot reach high accuracy like deterministic case, but the strategy that is followed for optimization is work for next case. Then, applying Kalman Filter to results of TRIAD allows to an important improvement on attitude control. Kalman Filter almost neglects the effects of noises. Also, in this case the optimized parameters provide similar accuracy as the deterministic approach for some cases. More importantly, it is possible to obtain optimized parameters that are gives stable and accurate results.
Benzer Tezler
- Ukf adaptation and filter integration for attitude determination and control of nanosatellites with magnetic sensors and actuators
Başlık çevirisi yok
HALİL ERSİN SÖKEN
Doktora
İngilizce
2013
Astronomi ve Uzay BilimleriGraduate University for Advanced Studies (SOKENDAI)Prof. SHINICHIRO SAKAI
- Gyroless attitude estimation algorithm for nanosatellites
Nanouydular için jiroskopsuz yönelim kestirim algoritmaları
ŞİRİN YAKUPOĞLU ALTUNTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
DR. ÖĞR. ÜYESİ HALİL ERSİN SÖKEN
- A design of a test bed for cubesat attitude determination and control system
Küp uydu yönelim belirleme ve kontrol sistemleri için test düzeneğinin oluşturulması
MEHMET ŞEVKET ULUDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Development of single-frame methods aided kalman-type filtering algorithms for attitude estimation of nano-satellites
Nano-uydularda yönelim kestirimi için tek-çerçeve yöntemlere dayali kalman-tipi filtreleme algoritmalarinin geliştirilmesi
DEMET ÇİLDEN GÜLER
Doktora
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Nanosatellıte attıtude estımatıon vıa trıad-aıded kalman fılters
Triad metodu destekli̇ kalman süzgeçleri̇ i̇le nano uydularda yöneli̇m kesti̇ri̇mi̇
MEHMET ASIM GÖKÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE