Geri Dön

Development of a comprehensive simulation software for spacecraft missions

Uzay aracı görevleri için kapsamlı bir simülasyon yazılımı geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 782160
  2. Yazar: EMİRHAN ESER GÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Uydu görevlerinin, özellikle Küp Uyduların, karmaşıklık ve kapsam açısından yüksek oranda artması, görev planlama ve analiz için özelleştirilmiş bir yörünge simülasyon yazılımınının geliştirilmesi ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Bu tez, uzay aracı görevlerinin tasarımına yardımcı olacak bir simülasyon yazılımın geliştirilmesi ve kullanımını sunmaktadır. Yazılım mimarisinin geliştirilme süreci, yazılım gereksinimleri analizinden, son uygulamanın test ve dogrulamasına kadar aşamalar şeklinde açıklanmıştır. Uzay görevleri sırasında, bir uzay aracı farklı amaçlar için çeşitli yörüngelere yerleştirilebilir. Görev ön tasarımı, karmaşık görevlerin ihtiyaçlarını karşılamak için tüm görev a¸samalarını dikkate almayı gerektirir. Bir yörüngeyi etkili bir şekilde tasarlamak için, yörünge amacını net bir şekilde tanımlamak ve görev gereksinimlerinin evrilmesi ya da daha net bir hale gelmesiyle bu amacı sık sık gözden geçirip yeniden degerlendirmek önemlidir. Ayrıca, bir görev için birden çok geçerli seçenek olabilir, bu nedenle alternatif yörünge tasarımlarını da dikkate almak gerekmektedir. Örnegin, iletişim amaçları için, yer eşzamanlı yörüngeye yerleştirilen tek bir büyük uydu ile alçak Dünya yörüngesine yerle¸stirilen bir grup daha küçük uydunun her ikisi de etkili olabilir. Çogu zaman, farklı tasarımları birbirleriyle kar¸sıla¸stırmak ve görev gereksinimlerine en uygun yörüngeyi tespit etmek gerekmektedir. Bunların yanı sıra, göreve baglı olarak, tasarım esnasında göz önünde bulundurulması gereken türlü kriter bulunmaktadır. Görev için en uygun yörüngenin belirlenmesi, uydunun yörünge üzerinde ne kadar güç üretimi gerçekle¸stirebileceginin analizi, kullanılacak ileti¸sim sistemlerinin güç ve veri aktarma hızı gereksinimlerinin belirlenmesi, atmosfer sürtünmesi ve güne¸s ı¸sınım basıncı gibi olguların yörünge ömrüne olan etkilerinin hesaplanması gibi faktörler tasarımı önemli ölçüde etkilemektedir. İnsanların bütün bu hesaplamaları yapması mümkün olsa da göz önünde bulundurulması gereken çok fazla degi¸sken olması ve tasarımdaki bir değişikliğin diğer kararları etkilemesi sonucu birçok hesabın tekrar yapılması gerekmesi hem hata yapmayı çok olası kılmakta hem de gereken iş gücünü çok arttırmaktadır. Genellikle uydu tasarımı üzerine çalışılırken bu tarz analizlere yeterince zaman ayrılamamaktadır. Bu çalışmanın amacı, yazılım araçlarını kullanarak Dünya gözlemi, iletişim ve bilimsel hedefleri içeren uydu görevlerinin etkin bir ¸sekilde analizi ve planlaması için altyapı sağlayacak bir simülasyon yazılımı geliştirmektir. Bu sayede, uydu sistemleri gereksinimleriyle ilgili hızlı ve güvenilir kararlar verilerek görev tasarım sürecinin kolaylaştırılabilmesi hedeflenmektedir. Geliştirilen yazılım, şu ana kadar geliştirilmiş en hassas model olan Yüksek Dogruluklu Yörünge İlerleticisi (HPOP) dahil, birden çok yörünge ilerletici içermektedir. Ancak, son yıllarda meydana gelen çarpışmaları göz önünde bulundurunca, fizik temelli modellerin yörüngeleri tek başlarına yeterince dogru bir şekilde tahmin edemedikleri ve çarpışmaların önlenmesi için yeterli olmadıkları görülmektedir. Fiziksel dünya hakkındaki bilgimiz mükemmel modeller oluşturmak için yetersizdir, örnegin güneş aktivitesi gibi yalnızca istatistiksel verilere dayalı bazı bozulmaların dogru bir şekilde tahmin edilmesi neredeyse imkansızdır, benzer şekilde atmosfer modelleri ve sürükleme kuvvetinin etkiledigi uydu alanı da yönelim modellerine göre degişmektedir. Bu çalışma kapsamında, bu modellerin doğruluğunu iyileştirmek için geçmiş uçuş verilerini kullanan bir makine ögrenimi yaklaşımı önerilmektedir. Elimizde bulunan yüksek miktardaki tarihi uydu verisi kullanılarak, tahmin edilen yörüngelerdeki hata modelleri ögrenilebilir ve böylece ön görülemeyen bozuntu ve kuvvetlerin açıkça modellenmelerine ihtiyaç duyulmaksızın yörünge tahminleri iyileştirilebilir. Bu dogrultuda bir yapay sinir ağı modeli eğitilmiş ve etkisi gösterilmiştir. Yazılım, çeşitli programlama dilleri kullanılarak geliştirilmiştir. Kullanıcı arayüzü JavaScript, HTML ve CSS kullanılarak programlanmıştır. Yörünge analizleri ve diger yüksek işlem gücü gerektiren hesaplamalarda, modüler tasarım, daha az kaynak kullanımı ve yüksek işlem hızı gibi avantajlardan dolayı C++ tercih edilmiştir. Yapay zeka yöntemleri ve model egitimi için içerdiği çok sayıdaki bilimsel kütüphane ve destekten dolayı Python kullanılmıştır. Platformlar arası uyumluluk saglamak için Electron motoru, gerçek zamanlı 2B ve 3B veri görselleştirmesi için Cesium motoru, uydu görüntüleri ve arazi modelleme işleri için veri saglayıcı olarak Bing kullanıldı. Simülasyon sonuçları, yazılımın yüksek işlem hızı ve dogruluğa sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuçların gösterdigine göre, bu çalışmada ortaya çıkarılan çözüm görev tasarım sürecine konulan zaman ve ugraşı azaltıp, başarı oranlarını arttırma potansiyeline sahiptir. Geliştirilen yazılım gerçek görevlerin tasarımı ve yürütülmesi için kullanılmanın yanı sıra mühendislik çalışmaları ve egitim için bir araç olarak da kullanılabilecektir. Tezin yapısı şu şekildedir. Önce, görev planlamasında sıkça kullanılan matematiksel bagıntılar ve göksel ilişkiler açıklanmış, bu bağıntıları yazılıma eklemekte kullanılan algoritmalara yer verilmiştir. Bunlar koordinat sistemleri dönüşümleri, çeşitli yörünge elemanları ve uzay alanında kullanılan zaman sistemleri dönüşümlerini içermektedir. Daha sonra, hareket denklemlerinin temelini oluşturan iki-cisim denkleminden yola çıkarak yazılımda yer alan çeşitli yörünge ilerleticiler anlatılmıştır. Bu denklemin üzerine bozuntular ve diger kuvvet modelleri eklenerek yüksek doğruluklu yörünge ilerletici formüle edilmiş, yaygın olarak kullanılan analitik ve sayısal ilerleticiler hakkında bilgiler verilmiştir. Sonrasında tez kapsamında geliştirilen ve yörünge ilerleticilerin dogruluğunu arttırmak için kullanılması hedeflenen yapay sinir ağı modelinin teorisi ve uygulanışı açıklanmıştır. Sonraki bölümde simülasyon ortamı ve yazılımın kabiliyetleri anlatılmaktadır. SSO, GEO, Molniya gibi göreve odaklı yörüngelerin hızlıca tanımlanması, uyduların Dünya üzerindeki çeşitli noktalardan görüldügü zaman aralıklarının tespit edilmesi, uydunun güneş ışığı almadığı zamanların belirlenmesi, iletişim link bütçesi hesaplanması, yörünge üzerindeki güç üretimi ve basit yörünge manevralarının gerçekle¸stirilmesi gibi simülasyon kapsamındaki özellikler hakkında bilgiler verilmiştir. Yazılım geliştirilirken takip edilen ilkeler, yazılım mimarisinin tanımlanması, yazılım geli¸stirme süreci ve kullanıcı arayüzü tasarımı detaylıca anlatılmı¸stır. Nihayetinde, gerçek veri ve uydu dinlemeleri kullanılarak dogrulamalar gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar sunularak yazılımın gerçek görevler için kullanılmaya hazır oldugu gösterilmiş, gelecekte yapılabilecek geliştirmeler tartışılmıştır.

Özet (Çeviri)

The growth of satellite mission, especially CubeSats, in terms of complexity and capabilities has required the development of dedicated orbit simulation software for mission planning and analysis. This thesis presents the development and uses of a simulation software that will be used to aid in the design of spacecraft missions. The process of developing the software architecture is described in stages from software requirement analysis to test and verification of the final implementation. During a space mission, a spacecraft may be placed in a variety of orbits for different purposes. Preliminary mission design needs to consider all mission phases to meet the needs of more complex missions. To effectively design an orbit, it is important to clearly define the purpose of the orbit and regularly review and reassess this purpose as mission requirements evolve or become more defined. It is also important to consider alternative orbit designs, as there may be multiple options that are viable. For example, a single large satellite in a geosynchronous orbit or a group of smaller satellites in low-Earth orbit may both be effective for communication purposes. Multiple different designs are often compared to find the orbit that best accommodate the mission requirements. There are various criteria that have to be considered according to the mission, such as determining the communication links between satellites and ground stations, and finding the time intervals when there is a pass or eclipse, which allow determining the requirements of communication and power systems. For an Earth-observing satellite, the orbit that has the most revisit time for desired locations and properties of the optical system such as the field of view should be determined. The aim of this work is to make use of the software tools to create a simulation software that provides a framework for efficient analysis and planning of satellite missions that include earth observation, communication, and scientific objectives in order to helps the mission design process by giving the ability to make fast and reliable decisions regarding the satellite system requirements. The developed software implements multiple orbit propagators, with the most prominent being the High-precision Orbit Propagator (HPOP) which takes into account all of the forces that can be modelled so far. However, physics-based models alone are insufficient for accurately predicting orbits and avoiding collisions, as demonstrated by previous collisions caused by such predictions. Our knowledge of the physical world is not sufficient enough to create perfect models as it is near impossible to predict some perturbations precisely, such as solar activity which is only an approximation based on statistical data, as well as the atmosphere models and the area of the satellite that drag force affects, which also change depending on the attitude model. In order to improve the accuracy of these models, a machine-learning approach that utilizes the past flight data is proposed. Models of orbit prediction errors can be learned directly from a large amount of historical data, allowing for predictions without explicitly modeling forces or perturbations. Hence, a neural-networks model was trained and its impact was demonstrated. The software is developed using various programming languages. The user interface is programmed in JavaScript, using HTML and CSS. Orbital analyses and other computation heavy tasks were performed in C++ as it has the benefits of modular design, less resource use and fast execution speed, as well as good portability. Python was used for model training and artificial intelligence methods due to the enormous number of scientific libraries it includes. Electron framework was used to provide cross-platform compatibility. For real-time data visualization in both 2D and 3D, the Cesium framework was implemented using Bing as data provider for satellite imagery and terrain modelling. The simulation results show that the software succeeds in attaining high execution speed and precision. The results indicate that the proposed solution can be useful in reducing time and effort put into the mission design process as well as increase the rate of success for both Earth and interplanetary missions. The developed software can be used for real-world mission design and operations, as a tool for education and engineering studies, and public engagement. The structure of the thesis is as follows. First the mathematical background and celestial relationships that are widely used in mission planning are explained along with the algorithms used to implement them into the software. These include coordinate system transformations, various orbital elements, and time systems. Then orbital propagation is explained starting from two-body motion, which is the basis for all equations of motion, followed by adding perturbations and other forces acting on the satellite to facilitate the high-precision numerical propagator. Analytical propagators that are widely used are explained as well. Then, the design and implementation of a neural-networks model that is trained to improve the accuracy of the numerical propagators is described. The next chapter focuses on the simulation environment and the capabilities of the software. It is possible to easily create mission-specific orbits such as SSO, GEO, and Molniya, predict the visibility of satellites from different locations on the ground, determine the eclipse intervals, compute communication link budget, analyze on-orbit power generation, and perform basic maneuvers within the simulation environment. The software principles, architecture, development process, and user interface design is thoroughly explained as well. Finally, verifications using real data and satellite observations are performed and results are presented, which show that the developed software is ready for real mission use, and possible future developments are discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    898581

    Makine öğrenmesi tabanlı iç ortam sıcaklık kontrolü için bir simülatör yazılımı tasarımı

    Design of a simulator software for machine learning-based indoor temperature control

    AYDIN BOSTANCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEVRİM AKGÜN

  2. Tez No

    474969

    Development of an object-oriented design, analysis and simulation software for a generic air vehicle

    Jenerik hava araçları için nesne yönelimli tasarım, analiz ve benzetim yazılımı geliştirme

    MURAT ŞENİPEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ TÜRKER KUTAY

  3. Tez No

    877017

    Katmanlı imalat süreçlerinde plastik malzemelerin ısı altındaki davranışı ve üretime etkisi

    Thermal behavior of plastics during additive manufacturing process and impact of production parameters

    BÜRYAN TURAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ

  4. Tez No

    389293

    A decision support model for elevator system design in tall buildings

    Yüksek binalarda asansör sistemi tasarımı için karar destek modeli

    AYŞE ÇOLAKOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ

  5. Tez No

    486579

    Life cycle assessment of combined bioheat and biopower production and cost: Simulated case studies based on combustion utilizing turkish oak (Quercus cerris L.) coppices

    Birlikte biyoısı ve biyogüç üretimi yaşam döngüsü değerlendirmesi ve maliyeti: Türkiye meşe (Quercus cerris L.) baltalıklarını kullanan yanma temelli benzetilmiş durum çalışmaları

    GÜNER EKŞİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU

Geri Dön