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Authors
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Abstract(s)
The Astrophysical Nanosatellite for Technological Advancement and High-Energy
Universe Studies (ANTAEUS) is a CubeSat project developed by students of several
institutions, mainly the universities of Beira Interior (UBI), Porto (FEUP), and Coimbra
(UC), whose main mission objective is the measurement of gamma-ray bursts from
distant galaxies. To this effect, the satellite must perform a series of spectroscopy,
imaging and polarization techniques and relay the resulting data back to ground.
This dissertation details the design, development, modelling and validation of the
Attitude and Orbital Determination and Control System (AODCS) which will enable the
correct pointing conditions for the retrieval of relevant scientific data for the mission.
One of the underlying goals of the project is to use low-cost and low-power hardware,
namely the use of a magnetorquer board and a single reaction wheel, making the actuator
subsystem the main driver for the proposed control solution. The AODCS consists of an
Extended Kalman Filter for attitude estimation, guidance modes for nadir and inertial
pointing, and a control block consisting of a pointing mode which integrates a
proportional-derivative (PD) controller with a One-Step Greedy Actuator Management
Function for actuator torque allocation. This system is modelled using MATLAB
Simulink®.
The proposed subsystem was tested against a detailed model of the satellite environment,
including the Earth's magnetic field, solar radiation pressure, gravity gradient and the
atmospheric drag present in Low Earth Orbit. This model demonstrates successful
pointing and mission results using a novel controller which can be applied in complex
aerospace control systems with diverse applications.
O Astrophysical Nanosatellite for Technological Advancement and High-Energy Universe Studies (sigla inglesa: ANTAEUS) é um projeto desenvolvido por estudantes de várias instituições, maioritariamente das universidades da Beira Interior (UBI), Porto (FEUP) e Coimbra (UC), cujo principal objetivo é a criação de um CubeSat para medição de erupções de raios gama oriundos de galáxias distantes. Para este propósito, o satélite deve ser capaz de realizar uma série de técnicas de espetroscopia, imagiologia e polarimetria, transmitindo os dados resultantes de volta para a Terra. Esta dissertação detalha a conceção, desenvolvimento, modelação e validação do Sistema de Determinação e Controlo de Atitude (sigla inglesa: AODCS) que permitirá condições de orientação corretas para a recolha de dados científicos relevantes para a missão. Um dos objetivos subjacentes do projeto é a utilização de hardware de baixo custo e energia, nomeadamente a utilização de uma placa magnetorquer e uma única reaction wheel, tornando a atuação o princípio orientador da solução de controlo proposta. O AODCS é constituído por um Filtro de Kalman para estimação da atitude, modos de orientação inercial e nadir, e um controlador Proporcional-Derivativo integrado com uma Função de Gestão de Atuação para alocação de torque do sistema atuador. Este sistema foi modelado utilizando o software MATLAB Simulink®. O subsistema proposto foi testado com base num modelo detalhado do meio operacional do satélite, incluindo o campo magnético da Terra, a pressão da radiação solar, o gradiente de gravidade e a resistência atmosférica presente em Órbita Terrestre Baixa. O modelo demonstrou resultados satisfatórios utilizando um controlador inovador que pode ser implementado em sistemas aeroespaciais complexos com aplicações diversas.
O Astrophysical Nanosatellite for Technological Advancement and High-Energy Universe Studies (sigla inglesa: ANTAEUS) é um projeto desenvolvido por estudantes de várias instituições, maioritariamente das universidades da Beira Interior (UBI), Porto (FEUP) e Coimbra (UC), cujo principal objetivo é a criação de um CubeSat para medição de erupções de raios gama oriundos de galáxias distantes. Para este propósito, o satélite deve ser capaz de realizar uma série de técnicas de espetroscopia, imagiologia e polarimetria, transmitindo os dados resultantes de volta para a Terra. Esta dissertação detalha a conceção, desenvolvimento, modelação e validação do Sistema de Determinação e Controlo de Atitude (sigla inglesa: AODCS) que permitirá condições de orientação corretas para a recolha de dados científicos relevantes para a missão. Um dos objetivos subjacentes do projeto é a utilização de hardware de baixo custo e energia, nomeadamente a utilização de uma placa magnetorquer e uma única reaction wheel, tornando a atuação o princípio orientador da solução de controlo proposta. O AODCS é constituído por um Filtro de Kalman para estimação da atitude, modos de orientação inercial e nadir, e um controlador Proporcional-Derivativo integrado com uma Função de Gestão de Atuação para alocação de torque do sistema atuador. Este sistema foi modelado utilizando o software MATLAB Simulink®. O subsistema proposto foi testado com base num modelo detalhado do meio operacional do satélite, incluindo o campo magnético da Terra, a pressão da radiação solar, o gradiente de gravidade e a resistência atmosférica presente em Órbita Terrestre Baixa. O modelo demonstrou resultados satisfatórios utilizando um controlador inovador que pode ser implementado em sistemas aeroespaciais complexos com aplicações diversas.
Description
Keywords
Alocação de Torque Controlo de Atitude Estimação de Atitude Modelo de Controlo Preditivo Satélite