Дизайн системы управления отношения и исполнительный анализ на орбите наноспутника – ‘‘Тянь Туо 1’’

Аннотация

‘‘Тянь Туо 1’’ (TT-1), наноспутник - первый наноспутник единственной платой, который был успешно запущен в Китае. Главная цель TT-1 - технологическая демонстрация и научные измерения. Спутник выполняет значительное исследование проверки выполнимости архитектуры единственного правления, и это скроено к недорогой философии, приняв многочисленные компоненты коммерческого с полки (COTS). Спутник показан со способностью трех осевой стабилизацией контроля . Колесо импульса уклона подачи и три магнитных катушки приняты как приводы контроля. Датчики солнца, магнитометры и гироскоп с тремя осями используются как датчики измерения. Методы Оценки кватерниона (ПОИСКИ) и сигма-точечного фильтра Кальмана (UKF) принят для определения положения наноспутника. Данные орбиты, полученные наземной станцией, анализирует выполнение положения и системы управления (ADCS). Результаты показывают, что дизайн ADCS для TT-1 подходит, прочен и выполним.

1. Введение

Микро и Наноспутники с такими преимуществами как небольшой объем легкий вес, короткий период развития и низкая стоимость, постепенно становятся направлением новой разработки, и привлекает все больше внимания. В течение прошлых десятилетий огромное количество исследования были направлены на научные исследования микро - и наноспутников.

6-го декабря 1957 первый Авангард наноспутника TV3 был неудачно начат, спустя только несколько месяцев после запуска первого искусственного спутникового Спутника 1. В предидущих годах, главной причиной была для микро - и наноспутники ограниченные возможностий полезного груза ракет-носителей, и запущенные спутники были разработаны и произведены просто. Спутники стали более крупными и более продвинутыми как только ракета-носитель смогла выносить больший вес,. Однако из-за развития низкой микроэлектроники управления в конце девяностых прошлого века, это обеспечило потенциальный путь к высокой эффективности по массовому отношению. К сентябрю 2009 больше чем 60 микро - и наноспутники были запущены успешно в космос, и большинство этих спутников были разработаны университетами, и главные цели этих спутников были технологическая демонстрациия, научнымые измерения и радиосвязь, такие как TNS-0, STSAT-1,2, MSU-1, TUGSAT-1/BRITE, КОМПАС 1, ZDPS-1A.

Определение положения и система управления (ADCS) играют основную роль в спутниковой операции на орбите, которая может значительно затронуть работу спутника. Развитие микро - и наноспутник требует системы управления движением, которая недорога, легка, между тем с небольшим объемом и низким потреблением энергии. Поэтому, магнитные катушки и колесо импульса уклона были приняты как самые популярные приводы . Магнитная катушка с тремя осями, объединенная с колесом импульса уклона подачи, является популярным способом достижения контроля за стабилизацией с тремя осями. Этот метод проводит в жизнь стабилизацию движения в рулоне и направлениях отклонения от курса колесом импульса, которое номинально вращается по фиксированной процентной ставке в направлении подачи спутника. Многие микро - и наноспутники, работающие в орбите сегодня, подвергают этой стратегии управления. Спутник HAUSAT-2, разработанный Space System Research Laboratory (SSRL), использует магнитный вращающий момент в качестве привода для стабилизации движения, и колесо импульса используется для быстрого контроля за демпфированием. ZDPS-1A, разработанный университетом Чжэцзяна также успешно, принимает колесо импульса и магнитные катушки как приводы и достигает точного обслуживания движения.

TT-1 - первый наноспутник одной платой в Китае, и это разработано и развито Национальным университетом Технологии Защиты. В дизайне TT-1 ADCS играет важную роль в выполнении миссий включая телеметрию и контроль, оптическое отображение, и в формировании интервалов между научным измерением. В конфигурации ADCS магнитные катушки и колесо импульса приняты как приводы , и датчики солнца, магнитометры и гироскоп с тремя осями используются как датчики измерения.

2. Обзор миссии наноспутника TT-1

2.1. Фон наноспутника TT-1

10-го мая 2012 спутник TT-1 (как показано на Рис. 1) был успешно запущен в космос от китайского Центра Запуска Спутника Тайюаня. Объем спутника составляет 425 мм · 410 мм · 80 мм, и его масса составляют приблизительно 9.3 кг. Спутник составлен из бортового компьютера (OBC), система ADCS, система телеметрии и контроля (TTC), система энергопотребления (PSM), механическая структура, система управления температурой, система выполнения команды и система полезных грузов.

С возможным применением микро - и наноспутники, архитектура постепенно развивается в направлении модуляризации и стандартизации. С точки зрения исследования новой архитектуры наноспутника TT-1 также выполнил соответствующие усилия. Спутник TT-1 - инновационный наноспутник, разработанный и разработанный при помощи специальной архитектуры. Во время дизайна и производства спутника, была получена серия ключевого прорыва. Посредством интегрированного электронного дизайна и машинного/электрического/теплового дизайна интеграции, модуль PSM, модуль OBC, модуль ADCS и модуль TTC объединены на единственную печатную плату (PCB). По сравнению с обычным спутником в TT-1 нет никакого кабельного соединения. Следовательно, новая архитектура единственного правления значительно уменьшает качество структуры и улучшает функциональную плотность. Кроме того, единственная архитектура правления хорошо масштабируемая и может быть расширена до стандартизированного и универсального, функционального модулья.

TT-1 был также разработан, чтобы провести первый эксперимент основанной на спутнике автоматической идентификационной системы (AIS) в Китае и провести научные эксперименты обнаружения атомарного кислорода (AO), а также оптического отображения. Жизненный цикл был первоначально разработан в течение 30 дней. Однако до сих пор спутник работает на орбите больше одного года. Кроме того, это изобразило первую карту AIS глобального судна в Китае. Целая миссия - полный успех.

Таким образом, основные миссии TT-1 следующие:

(1) Проверка архитектуры наноспутника единственного правления.

(2) Демонстрация на орбите компонента AIS.

(3) Эксперимент компонентов/модуля.

(4) Оптическое земное отображение.

(5) Эксперимент обнаружения космического пространства.

Рис. 1 впечатление на орбите от TT-1.

2.2. Схема adcs

ADCS - решающая подсистема в процессе проектирования наноспутника. Его характеристика непосредственно затрагивает электроснабжение и контроль за телеметрией. Колесо импульса установлено на оси наклона и обеспечивает гироскопическую жесткость для оси вращения и стабилизации отклонения от курса. Магнитная катушка, установленная на оси наклона, разработана как кольцо из жесткого подшива в этом направлении, и другие две магнитных катушки разработаны как железная конфигурация обработки. Из-за небольшого объема и низкого потребления энергии TT-1, колесо импульса разработано, чтобы вращаться по фиксированной скорости без контроля скорости . Датчики измерения включают в себя датчики солнца, магнитометры и гироскоп с тремя осями. Структура ADCS показано на Рис. 2.

Рис. 2 структура ADCS.

3. Устройства аппаратных средств ADCS для TT-1

3.1. Определение движения и цели контроля

ADCS начинает работать после того, как TT-1 отделяется от ракеты-носителя, и она должна совершить несколько целей во время жизни спутника.

(1) После разделения от верхней ступени пусковой установки ADCS должен автоматически запуститься и воспользоваться начальным состоянием движения.

(2) Выводить начальную угловую скорость с магнитными катушками с тремя осями.

(3) Чтобы определить угловое движенние спутника и угловая скорость с магнитометром и датчиком солнца, используя метод сигма точечного Фильтра Калмана.

(4) Достигнуть тремех осевой стабилизации вращения низкой точке .

Главные эксплуатационные требования ADCS показано в Таблице 1.

3.2. Архитектура аппаратных средств adcs

Датчики и приводы - критические части для ADCS. В этом подразделе датчики и приводы , используемые на TT-1, ознакаливают , с такими как датчики солнца, магнитометры, колесо импульса и магнитные катушки. Магнитометры и датчики солнца разработаны, чтобы получить векторные измерения. Датчики солнца измеряют вектор угла обзора от космического корабля до солнца, и магнитометры измеряют местный вектор магнитного поля. Магнитные катушки производят вращающий момент контроля, взаимодействуя с магнитным полем, и колесо импульса стабилизирует движение посредством производства углового момента с гироскопической жесткостью.

3.2.1. Цифровые датчики солнца

Два цифровых датчика солнца (DSSs) отобраны для системы определения движения TT-1, как показано на Рис. 3. DSS может определить угол между нормальным направлением солнечной батареи и вектором солнца. В текущем дизайне два цифровых датчика солнца установлены отдельно вперед +X-оси и +Y-оси. Справочную структуру тела показывают на Рис. 4. Датчики выносливые к земному альбедо в более низкой земной орбите (LEO) под широким спектром условий освещения. Датчик имеет ±60 · ± 60 освещений поля зрения и точность измерения находятся в диапазоне 0.5.

Рис. 3 Цифровой датчик солнца.

Рис. 4. Справочная структура Тела.

Каждый датчик потребляет меньше чем 0.1 Вт мощности. Положение проектирования вектора солнца варьируется из-за угла инцидента солнечного света. Датчик солнечного света установлен в плоскости проектирования и может произвести текущий сигнал согласно углу уровня солнечного света. После того, как спутник превращается в режим управления стабилизации с тремя осями, угол между +Y-оси и вектор солнца приближается к 60. Таким образом солнечный свет появится на краю области видения датчика, как только спутник выходит из затмения. Обратите внимание на то, что датчик с более низким угловым измерением будет отобран для определения движения, если оба датчика получат информацию измерения.