Mission management and control for cubesatellites
Yetenekli küp uydular için görev yönetimi ve kontrolü
- Tez No: 904532
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 128
Özet
Bu tezde bir KüpUydu'nun görev yönetimi ve kontrolü yönelim belirleme ve kontrol perspektifinden anlatılmaktadır. Öncelikle tezde ele alınan 3U+ boyutlarındaki, Sharjah Astronomi, Uzay Bilimleri ve Teknoloji Akademisi, Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı ve Sabancı Üniversitesi iş birliğinde geliştirilen SharjahSat-1 küpuydusuna dair genel bilgiler sunulmuştur. Alçak Dünya yörüngesine yerleştirilmiş bu uydunun 2 görev yükü bulunmakta ve bunlar Sabancı Üniversitesi tarafından geliştirilen geliştirilmiş X-ışını dedektörü ve Uzay Sistemleri Tasarım ve Test Laboratuvarı tarafından yerleştirilen ikili kamera sistemidir. Yönelim belirleme ve kontol sisteminin iki görev yükü için de beklenen performansta çalışmasının önemi, devam eden bölümlerdeki KüpUydular ve yönelim belirleme üzerine yapılmış olan literatür taramasıyla da desteklenmiştir. KüpUyduların kütle, hacim, performans ve maliyet açısından ne kadar avantajlı olduğu belirtilmiş ayrıca bu uydularda kullanılabilecek yönelim belirleme sensörlerine, bunlarla birlikte kullanılabilecek yönelim belirleme algoritmalarına ve bunların performans açısından karşılaştırılmasına yer verilmiştir. İkinci bölümde, SharjahSat-1 görevine daha detaylı bir şekilde değinilmiştir. SharjahSat-1 üstünde geliştirilmiş x-ışını dedektörü, ikili kamera sistemi, elektrik güç sistemi, iletişim sistemi, uydu bilgisayarı, yönelim belirleme ve kontrol sistemi ve arayüz kartı olmak üzere çeşitli altsistemi bulundurmaktadır. Ana görev yükü olan geliştirilmiş x-ışını dedektörünün kullaım amacı, dedektörü belirli parlak galaktik x-ışın kaynaklarına yöneltip ölçüm olarak bunların durumlarını gözlemlemek veya Güneşe yönlendirip ölçüm alarak meydana gelen Güneş patlamalarına ait x-ışını spektrumlarını ve Güneş koronal deliklerini gözlemlemektir. İkincil görev yükü olan ikili kamera sisteminin amacı ise alçak Dünya yörüngesinden yer gözlemi yapmaktır. Uydudaki görev yükleriyle diğer sistemleri, yapı ve mekanizma elemanları bir arada tutmaktadır. Ayrıca bu elemanlar uydunun çevresel testleri sırasında karşılaması gereken isterleri de karşılamaktadır. Uydu bilgisayarı, uydu sistemlerinin görev kontrolü için kullanılır, ayrıca çeşitli iletişim arayüzleri ve çevresel işlevler sunar. İletişim sistemi olarak 2 farklı sistem kullanılmaktadır. Bunlardan ilki çok yüksek frekans ve ultra yüksek frekans alıcı-vericis ve diğeri de S-band frekansı vericisi. Bu iki iletişim sistemi için bulunan modemler, yer istasyonuyla uydu bilgisayarı arasındaki iletişimin kurulmasını sağlamaktadır. Kurulan iletişim sayesinde bir yandan uydu sistemlerinin sağlık verilerine, uydunun yönelim bilgisine, sensör ölçümlerine ulaşılırken öbür yandan yer istasyonundan uyduya bilgisayarına komut gönderilebilmektedir. Elektrik ve güç sistemi, Güneş paneli hücreleri aracılığıyla güç üretiminden ve üretilen gücün bataryalarda depolanıp sistemlerin tüketim gereksinimlerine göre dağıtılıp kullanılmasından sorumludur. Sistem elektrik güç yönetim birimi, 25 güneş paneli hücresi ve 3 bataryadan oluşmaktadır. Yönelim belirleme ve kontrol sistemi kapsamında çeşitli sensör ve kontrolcülerle birlikte bunlardan gelen verileri işleyip kullanan bir yönelim belirleme ve kontrol bilgisayarı da bulunmaktadır. Sistemde yönelim belirlemek için biri yedek 2 manyetometre, 10 kaba güneş sensörü, hassas Güneş sensörü, ufuk sensörü, açısal hız sensörü, yıldız izler sensörü bulunmaktadır. Yönelim kontrolü için de 3 reaksiyon tekeri ve aktif manyetik kontrol kullanılmaktadır. Uydunun görev ve sistem gereksinimlerinin detaylı olarak tanımlanabilmesi için çeşitli yörünge analizleri yapılmıştır. Ömür, güç üretimi, yıldız erişim ve kamera erişim analizlerini içeren yörünge analizleri ile kütle, güç, veri ve iletişim bütçelerini içeren sistem bütçeleri, alt sistem gereksinimlerini net bir şekilde tanımlanmıştır. Uydunun ömür analizi sonucu 2035 sonrasına kadar yörüngede kalacağı görülmektedir. Güç analizi sonuçlarına göre bir yörüngede üretilen ortalama güç en az 3.704 watt olarak bulunmuştur. Yıldız erişim ve kamera erişim analizleri sonuçlarına göre 2 görev yüküyle de rahatça görev gerçekleştirilebilecek zaman aralıkları bulunmaktadır. Analiz sonuçları, sonrasında sunulmuş olan kütle, güç, veri ve link bütçeleriyle uyuşmaktadır. Bölümün devamında uydu bilgisayarı tarafında tanımlanan genel operasyon fazlarından bahsedilmektedir. Fırlatma ve erken operasyon fazı, normal operasyon fazı, güvenli operasyon fazı, iki görev yükü için de ayrı ayrı tanımlanmış görev fazları adım adım verilmiştir. Son olarak SharjahSat-1 yer istasyonu uygulamasıyla ilgili bilgiler paylaşılmıştır. Üçüncü kısımda olarak bu çalışmada kullanılan yönelim belirleme algoritmaları ve sensörleri sunulmaktadır. Proje bazında yönelim belirlemek için kullanılmak üzere literatür taramasında değinilen TRIAD ve QUEST algoritmaları seçilmiştir. Bu algoritmaların işleyişlerine ve hesaplamalarına dair bilgiler paylaşılmıştır. Hem proje içinde kullanılabilecek hem de SharjahSat-1 üzerinde bulunan sensörlerden üçü kullanılmak üzere seçilmiştir. Seçilen Güneş sensörleri, manyetometre ve ufuk sensörleri için algoritmalarda kullanılmak üzere sensörlerin tahmini hata payları göz önünde bulundurularak sensör modelleri oluşturulmuştur. Bölümün devamında SharjahSat-1'de kullanılan yönelim belirleme ve kontrol sistemi detaylıca anlatılmaktadır. Uydunun üzerindeki yönelim belirleme sensörlerinin yerleşimi verilmiş. Sistemin içinde tanımlanmış yönelim belirleme ve kontrol modları sırayla paylaşılmıştır. Farklı yönelim belirleme ve kontrol modlarına yönelik sistemin performansını inceleme amacıyla yapılan simulasyonlar ve sonuçlar paylaşılmış, uydunun yönelim belirleme sensörlerinden beklenen performans incelenmiştir. Bu kısımlarda sırasıyla verilen zaman dilimi için her mod için simule edilmiş açısal hız sensörünün x, y ve z eksenlerindeki ölçümleri, açılır manyetometre ve yedek manyetometre sensörünün maksimum ve ortalama hatası, kaba Güneş sensörlerinden ve hassas Güneş sensöründen hesaplanan Güneş vektörünün maksimum ve ortalama hatası, ufuk sensörünün maksimum ve ortalama hatası, yıldız izler sensörünün maksimum ve ortalama hatası paylaşılmıştır. Yönelim belirleme ve kontrol sistemi için kullanılan telekomut ve telemetriler paylaşılmıştır. Bu komutlarla birlikte yönelim belirleme ve kontrol mod tanımları kullanılarak operasyon fazları aşama aşama tanımlanmıştır. Bu fazlar sırasıyla, fırlatma ve erken operasyon fazı, güvenli mod fazı, Güneş'e yönelme fazı, iletme fazı, kamera fazı ve iXRD fazıdır. Bu modlar içinde yapılan yönelim belirleme ve kontrol operasyonlarıyla birlikte gönderilmesi gereken komutlar ve istenilen telemetriler aşama aşama açıklanmıştır. Dördüncü kısımda yörüngede gerçekleştirilen operasyonlar detaylı olarak anlatılmıştır. Uydunun fırlatma tarihi olan 3 Ocak 2023'ten Mayıs 2024'ün sonuna kadarki dönemde karşılaşılan aksaklıklar tek tek kısaca açıklanmıştır. Bunların temel nedenleri durumdan duruma değişiklik göstermektedir. Bu nedenlere örnek olarak, uydu bilgisayarı kaynaklı sıkıntılar, yönelim belirleme ve kontrol sistemi bilgisayarı kaynaklı sıkıntılar, yer istasyonu iletişiminde görülen sıkıntılar, SharjahSat-1 yer istasyonu yazılımında yapılan hatalar, uydu yazılımında yapılan hatalar gösterilebilir. Bunların arasından operasyonları en çok etkileyenler uydu yazılımındaki hatalar ve yer istasyonu iletişimi sırasında karşılaşılan aksaklıklardır. Bu hatalar sonucunda yörünge operasyonlarının değişmesinden kaynaklı izlenilen yeni operasyon adımları bu bölümde tanımlanmış ve nedenleriyle açıklanmıştır. Planlanan bir kamera veya iXRD görevini tamamlamak için gereken 5 yer istasyonu geçiş planı açıklanmıştır. Bunlardan ilki uydu açısal hızlarını düşürmeye yönelik telekomut ve telemetrileri içermektedir. Tanımlanan ikinci ve üçüncü aşamalar, ikinci geçişte yapılmak için planlanmıştır. İkinci aşamada uydu yörünge parametreleri ve yönelim belirleme ve kontrol sistemi zamanı güncellenmektedir. Üçüncü aşamada yönelim belirleme ve kontrol sistemine yönelik belirli birkaç parametrenin güncellenmesi ve kaydedilmesine yönelik komutlar paylaşılmıştır. Dördüncü aşama kamera ya da iXRD görevleri sırasında gönderilen telekomutları içermektedir. Bu telekomutlar sırasıyla uydu genel telemetri kontrolü, açısal hız kontrolü, yönelim belirleme modu değişimleri, yönelim kontrol modu değişimleridir. Bunlarla birlikte ilgili görev yükünün çalıştırılmasına yönelik komutlar da gönderilmektedir. Son aşama operasyon tamamlandıktan sonra gerçekleştirilir ve toplanan telemetrilerle birlikte görev yükünün operasyonu sonucunda elde edilen veriler indirilmektedir. Bölümün devam eden kısmında tanımlanmış bu operasyon adımları izlenerek 3 farklı tarihte gerçekleştirilen görevlerden toplanan veriler sunulmuştur. Her durum için veriler ayrı ayrı incelenip yorumlanmış ve uydunun yönelim durumu çıkarılmaya çalışılmıştır. 11 Ocak 2024 tarihine ait veri grubu uydu hızlı-açısal hız düşürme yönelim kontrol modundayken x, y ve z eksenlerindeki açısal hız ölçümleri, kaba Güneş sensörü ve hassas Güneş sensörü ölçümleri sunulmuştur. 225 saniye boyunca toplanan açısal hız verilerinden yönelim kontrol modunun hızlı-açısal hız düşürme moduna değiştirilmesi sonucunda açısal hızların 48.1 °/s'den 41.8 °/s'ye düştüğü gözlemlenmiştir. Toplanan kaba Güneş sensörü ve hassas Güneş sensörü ölçümlerinin birbirleriyle uyumlu olduğu, ayrıca açısal hız sensör ölçümleriyle de uyumlu olduğu görülmüştür. 5 Şubat 2024 tarihine ait ver grubunda, açısal hız sensörü ölçümleri, açılır ve yedek manyetometre ölçümleri ve bunların kaba halleri, kaba ve hassas Güneş sensörü ölçümleri paylaşılmıştır. Bir önceki veri grubundan çıkarılan sonuçlara ek olarak, manyetometre sesnörlerinin kendi içinde tutarlı ölçüm verdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca kalibre edilmemiş kaba manyetometre ölçümleri ile uydunun konumu için modellenmiş Dünya manyetik alanı değerleri karşılaştırıldığında, manyetometrenin kalibre edilmemiş durumda olduğu görülmektedir. 4 Mart 2024 tarihine ait veri grubunda açısal hız sensörü ölçümleri, kaba ve hassas Güneş sensörü ölçümleri ve ufuk sensörü ölçümleri paylaşılmıştır. Ufuk sensörü ölçümlerinden, bu sensörün hassas Güneş sensörüne kıyasla daha az veri topladığı görülmektedir. Bu çıkarımlardan sensörlerin birbirleriyle tutarlı olacak şekilde ölçüm yaptığı ve bazı sensörlerin diğerlerine kıyasla daha sık ölçüm yaptığı görülmüştür. Beşinci kısımda proje kapsamında kullanılan TRIAD ve QUEST algoritmalarının modellenmiş sensör verilerinden alınan değerlerle performansına bakılmıştır. Öncelikle yerde modellenmiş yörünge ilerletici ve sensör modellerinden elde edilmiş yönelim belirleme sensörlerinden elde edilen sonuçlarla farklı sensör ve algoritma kombinasyonları karşılaştırılmıştır. Sonrasında bu algoritmalar SharjahSat-1'den toplanan sensör verileri girdi olarak kullanılarak çalıştırılmış ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Son olarak tezin sonuç kısmı ileride yapılabilecek çalışmalarda dikkat edilebilecek noktalara değinilerek sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Here in this thesis mission management and control for a CubeSat from attitude determination and control perspective is explained. First, the purpose of the thesis is presented, followed by a literature review of CubeSats and attitude determination methods. Secondly, a 3U+ CubeSat, SharjahSat-1, mission overview and the system block diagram which includes all the subsystems within the CubeSat are presented. Then, each subsystem within the CubeSat is explained briefly. This section includes main payload, secondary payload, structures and mechanisms, on-board command and data handling system, communication system, electrical power system (EPS), attitude determination and control system (ADCS) are presented. The orbital analyses including lifetime, power generation, star access, and camera access analyses, and the system budgets including, mass, power, data, and link budgets are presented in order to give a clear understanding for the subsystem requirements. Then general operation phases of the SharjahSat-1 are explained. These include Launch and Early Operation Phase (LEOP), normal operation phase, safe operation phase and mission specific operation phases. At the end of this section, the ground station (GS) interface prepared specifically for the SharjahSat-1 mission is presented. Thirdly, attitude determination algorithms and sensors used in this study are presented. Following that, attitude determination and control in SharjahSat-1 is explained in detail. Some of the sensor performances on different control modes are discussed. Also, the telecommands and telemetries related to ADCS operations in the GS is explained. At the end of this section, ADCS flowcharts that are implemented in SharjahSat-1 operations, are explained briefly. In the next section, current condition of the SharjahSat-1 in the orbit is explained. The mission current mission scenarios based on the data received from the SharjahSat-1 in orbit and the performance of the satellite is discussed. Then, the findings from the data collected in orbit and the results from the attitude determination algorithm used in the study is compared and discussed. Lastly, the conclusion of the thesis is presented.
Benzer Tezler
- Performans yönetimi için dinamik bir stratejik kontrol modeli
A Dynamic strategic control model for performance management
SEÇKİN POLAT
Doktora
Türkçe
1992
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. MEHMET HALUK ERKUT
- A Methodology proposal for personnel appraisal system in hierarchic organizations (the case of land forces)
Hiyerarşik organizasyonlarda personel değerlendirme sistemine ait bir metodoloji önerisi (K.K.K. örnek çalışması)
HAKAN SONER APLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYeditepe ÜniversitesiSistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. KADİR VAROĞLU
- Modelling, control and implementation of an unmanned vertical take-off and landing aircraft
Dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız hava aracının modellenmesi, kontrolü ve gerçeklenmesi
FARABİ AHMED TARHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Stratejik planlama ve Türk otomobil sanayiinde bir inceleme
Strategic planning and a research about Turkish automobile industry
ŞEBNEM KURUOĞLU
- Hizmet kalite yönetimi ve satış/alacak departmanında kalite geliştirme çalışmalarına yönelik bir uygulama
Service quality management and an application for improving quality in the sales/credit department
ÜLFET ALTUNCU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SITKI GÖZLÜ