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Publicação
Optimal Positioning of the Actuators of a Satellite in Low Earth Orbits
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 4.35 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
This dissertation focuses on optimizing the configuration of reaction wheels for satellite
attitude control in a sun-synchronous orbit.
The control of a satellite in low Earth orbit is crucial throughout the mission period of an
Earth observation satellite. Reaction wheels are essential for executing precise attitude
maneuvers in space, but their energy consumption must be minimized to extend mission
life.
The proposed approach involves simulating a full orbital period, considering key orbital
disturbances such as atmospheric drag, J2, and solar radiation pressure. During this
period, a series of attitude maneuvers is performed using control strategies based on
Linear Quadratic Regulator controllers. The energy consumed by the reaction wheels for
these maneuvers is calculated, approximately.
Subsequently, the proposed approach is to carry out simulations, using a genetic
algorithm, by varying the number, orientation, and position of the reaction wheels, with
the objective of minimizing energy consumption while respecting the time constraints
required to perform the maneuvers defined in the reference concept of operations.
The outcome of this work provides an efficient reaction wheel configuration that balances
energy usage and performance, contributing to more sustainable and efficient satellite
missions in low Earth orbit.
Similarly, the mission development and design phase is optimized, as this approach
provides greater flexibility and accelerates the analysis and performance evaluation of
attitude control systems during the early stages of the design process.
Esta tese tem como foco a otimização da configuração das rodas de inércia para o controlo de atitude de satélites em órbita heliossíncrona. O controlo de satélites em órbita terrestre baixa é crucial para a missão de um satélite de observação terrestre. As rodas de inércia são essenciais para executar manobras de atitude precisas, sendo importante minimizar o consumo energético de forma a otimizar a utilização de recursos do satélite. A abordagem proposta centra-se inicialmente na simulação de um período orbital completo, considerando perturbações como o arrasto atmosférico, o potencial gravítico da Terra e a pressão de radiação solar. A fase de simulação orbital adota um modelo de propagação Cowell. Esta escolha equilibra realismo e eficiência computacional. Após a simulação orbital das posições do satélite ao longo do seu período orbital são realizadas manobras de atitude recorrendo a um controlador ótimo linear quadrático. O consumo energético das rodas de inércia é então calculado de forma aproximada. Posteriormente, recorre-se a um algoritmo evolutivo, baseado na otimização por enxame de partículas, e variando o número, orientação e posição das rodas de inércia. O objetivo é minimizar o consumo energético, respeitando as restrições temporais pelo plano de operação, para garantir uma viabilidade computacional do processo iterativo, assume-se massa constante e emprega-se um modelo simplificado de propagação orbital. Os resultados obtidos identificam as configurações de rodas de inércia que tiveram baixo consumo e o desempenho de controlo exigido, contribuindo para missões mais sustentáveis e eficientes, em órbita terrestre baixa. O contexto do paradigma “New Space” tem promovido uma crescente democratização do acesso ao espaço, com empresas privadas a desenvolverem soluções inovadoras e mais económicas. Neste cenário, a otimização de subsistemas críticos, como o controlo de atitude, torna-se um fator decisivo para a competitividade e sustentabilidade das missões. Recorrendo a esta abordagem é possível contribuir para a flexibilidade e rapidez da análise de desempenho e desenvolvimento dos sistemas de controlo de atitude na fase inicial de projeto.
Esta tese tem como foco a otimização da configuração das rodas de inércia para o controlo de atitude de satélites em órbita heliossíncrona. O controlo de satélites em órbita terrestre baixa é crucial para a missão de um satélite de observação terrestre. As rodas de inércia são essenciais para executar manobras de atitude precisas, sendo importante minimizar o consumo energético de forma a otimizar a utilização de recursos do satélite. A abordagem proposta centra-se inicialmente na simulação de um período orbital completo, considerando perturbações como o arrasto atmosférico, o potencial gravítico da Terra e a pressão de radiação solar. A fase de simulação orbital adota um modelo de propagação Cowell. Esta escolha equilibra realismo e eficiência computacional. Após a simulação orbital das posições do satélite ao longo do seu período orbital são realizadas manobras de atitude recorrendo a um controlador ótimo linear quadrático. O consumo energético das rodas de inércia é então calculado de forma aproximada. Posteriormente, recorre-se a um algoritmo evolutivo, baseado na otimização por enxame de partículas, e variando o número, orientação e posição das rodas de inércia. O objetivo é minimizar o consumo energético, respeitando as restrições temporais pelo plano de operação, para garantir uma viabilidade computacional do processo iterativo, assume-se massa constante e emprega-se um modelo simplificado de propagação orbital. Os resultados obtidos identificam as configurações de rodas de inércia que tiveram baixo consumo e o desempenho de controlo exigido, contribuindo para missões mais sustentáveis e eficientes, em órbita terrestre baixa. O contexto do paradigma “New Space” tem promovido uma crescente democratização do acesso ao espaço, com empresas privadas a desenvolverem soluções inovadoras e mais económicas. Neste cenário, a otimização de subsistemas críticos, como o controlo de atitude, torna-se um fator decisivo para a competitividade e sustentabilidade das missões. Recorrendo a esta abordagem é possível contribuir para a flexibilidade e rapidez da análise de desempenho e desenvolvimento dos sistemas de controlo de atitude na fase inicial de projeto.
Descrição
Palavras-chave
Leo – Controlo Ótimo e Robusto – Algoritmo Genético – Controlo da Atitude –Quaterniões