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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Small satellite formation missions offer new options for space exploration and scientific
experiments. Groups of satellites flying within short relative distances allow various
important applications, such as spatially distributed instruments for atmospheric
sampling or remote sensing systems. The ability to independently control the relative
motion of each satellite is crucial to establish a swarm formation, using a large number of
satellites moving along bounded relative trajectories. This type of mission poses several
constraints on mass, size, and energy consumption; therefore, an autonomous and selfsufficient approach is necessary to assure relative motion control. A novel concept of
miniaturized satellites, referred to as ChipSats, consists of a single printed circuit board
which can be equipped with different sets of microelectronic components including power
and communication systems, a variety of sensors, and a microcontroller. This study
considers a swarm of ChipSats equipped with magnetorquers, operating at extremely
short relative distances, and using the electromagnetic interaction force for relative
motion and attitude control, assuming the absolute position and relative state of each unit
is known. Despite the limitations imposed by using magnetorquers as the sole actuators
onboard, the dipole interaction between drifting satellites can be used to achieve bounded
relative trajectories, and to establish and maintain a compact swarm. Following a
decentralized approach, the ChipSats are periodically linked in interchangeable pairs in
order to apply the Lyapunov-based control algorithm and prevent relative drift between all
satellites in the swarm. The magnetic dipole moments are used for angular velocity
damping when orbit control is not required, and a repulsive collision avoidance
electromagnetic control force is applied when two ChipSats are within dangerously close
proximity to each other. The performance assessment is conducted through Monte Carlo
simulations using MATLAB, by analyzing operational parameters and the effect of initial
conditions after deployment.
Formações de pequenos satélites oferecem novas opções para exploração espacial e experiências científicas. Grupos de satélites, operando a curtas distâncias relativas, possibilitam importantes aplicações tais como instrumentação espacialmente distribuída para amostragem atmosférica ou sistemas de sensoriamento remoto. A capacidade de controlar de forma independente o movimento de cada satélite é crucial para establecer uma formação em enxame, utilizando um grande número de satélites movendo-se ao longo de trajetórias relativas limitadas. Este tipo de missão impõe várias restrições ao nível do consumo de energia, da massa e do tamanho dos satélites, consequentemente, é necessária uma abordagem autónoma e auto-sustentável para assegurar o controlo das trajetórias relativas. Um novo conceito de satélite miniatura, denominado ChipSat, consiste de uma única placa de circuito impresso que pode ser equipada com diferentes conjuntos de componentes microelectrónicos. Este estudo considera um enxame de ChipSats equipados com magnetorquers, operando a distâncias relativas extremamente reduzidas, e usando a força de interação eletromagnética para controlo do movimento relativo e orientação dos satélites, assumindo que a posição absoluta e relativa de cada unidade é conhecida. Apesar das limitações impostas por usar os magnetorquers como únicos atuadores a bordo, a interação magnética dipolar pode ser usada para limitar trajetórias relativas e establecer um enxame compacto. Seguindo uma abordagem descentralizada, os ChipSats são periodicamente ligados em pares intermutáveis de modo a aplicar o algoritmo de control baseado no teorema de Lyapunov, impedindo o aumento da distância relativa entre todos os satélites no enxame. O momento magnético dipolar é usado para amortecimento da velocidade angular quando o control orbital não é necessário, e uma força eletromagnética repulsiva é usada para controlo de colisão quando dois ChipSats estão perigosamente próximos. A análise de performance é feita através de simulações Monte Carlo no MATLAB, estudando os parâmetros operacionais e o efeito das condições iniciais após o lançamento.
Formações de pequenos satélites oferecem novas opções para exploração espacial e experiências científicas. Grupos de satélites, operando a curtas distâncias relativas, possibilitam importantes aplicações tais como instrumentação espacialmente distribuída para amostragem atmosférica ou sistemas de sensoriamento remoto. A capacidade de controlar de forma independente o movimento de cada satélite é crucial para establecer uma formação em enxame, utilizando um grande número de satélites movendo-se ao longo de trajetórias relativas limitadas. Este tipo de missão impõe várias restrições ao nível do consumo de energia, da massa e do tamanho dos satélites, consequentemente, é necessária uma abordagem autónoma e auto-sustentável para assegurar o controlo das trajetórias relativas. Um novo conceito de satélite miniatura, denominado ChipSat, consiste de uma única placa de circuito impresso que pode ser equipada com diferentes conjuntos de componentes microelectrónicos. Este estudo considera um enxame de ChipSats equipados com magnetorquers, operando a distâncias relativas extremamente reduzidas, e usando a força de interação eletromagnética para controlo do movimento relativo e orientação dos satélites, assumindo que a posição absoluta e relativa de cada unidade é conhecida. Apesar das limitações impostas por usar os magnetorquers como únicos atuadores a bordo, a interação magnética dipolar pode ser usada para limitar trajetórias relativas e establecer um enxame compacto. Seguindo uma abordagem descentralizada, os ChipSats são periodicamente ligados em pares intermutáveis de modo a aplicar o algoritmo de control baseado no teorema de Lyapunov, impedindo o aumento da distância relativa entre todos os satélites no enxame. O momento magnético dipolar é usado para amortecimento da velocidade angular quando o control orbital não é necessário, e uma força eletromagnética repulsiva é usada para controlo de colisão quando dois ChipSats estão perigosamente próximos. A análise de performance é feita através de simulações Monte Carlo no MATLAB, estudando os parâmetros operacionais e o efeito das condições iniciais após o lançamento.
Description
Keywords
Algoritmos de Control da Orientação e
Navegação Chipsats Controlo Eletromagnético Descentralizado Enxame de Satélites Equações Hcw Magnetorquers Voo Em Formação