Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Investigation of the conduction effect on temperature-based attitude estimation

Document Type : Original Research Paper

Authors
Marjan Moghanipoor 1
Maryam Kiani 2
S. Hossein Pourtakdost 2
Amir Labibian 3
1 Department of Aerospace Engineering Sharif University of Technology, Tehran, IRAN
2 Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, IRAN
3 Satellite Systems Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, IRAN
10.30699/jsst.2020.102348
Abstract
Temperature sensors have recently been proposed for attitude estimation (AE) of Low-Earth satellites. However, since half of the satellite surfaces do not receive any heat flux from the Sun, conduction occurs among the satellite surfaces. In this regard, the present study has focused on the effect of surfaces’ conduction as well as inner radiation on AE using temperature sensors. The nonlinear filter of Unsceted Kalman filter is adopted for AE, and the developed model to describe temperature rates is verified using Thermal Desktop and SINDA software. Monte Carlo simulations prove positive effect of the conduction on AE performance against negative role of the inner radiation.
Keywords
Attitude estimation
Temperature sensor
Heat flux
Radiation
conduction
Subjects

Article Title Persian

بررسی اثر رسانش سطوح ماهواره بر تخمین وضعیت با استفاده از سنسور دمایی

Authors Persian

مرجان مقنی پور 1
مریم کیانی 2
سید حسین پورتاکدوست 2
امیر لبیبیان 3
1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
Abstract Persian

نرخ تغییر دمای سطوح ماهواره ناشی از تشعشعات دریافتی در فضا اخیرا به عنوان یک کمیت نوین برای تخمین وضعیت ماهواره معرفی شده است. از آنجا که شار حرارتی خورشید، به عنوان اصلی‌ترین منبع حرارتی فضا، در شرایط غیر از سایه تقریبا به نیمی از سطوح ماهواره نمی‌رسد، اختلاف دما بین سطوح ماهواره زیاد است. این اختلاف دمای بالا، وقوع رسانش بین سطوح را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. از این رو، این مقاله به بررسی اثر رسانش بین سطوح ماهواره و همچنین اثرات ناشی از تشعشات داخلی بر مساله تخمین وضعیت به کمک سنسور دمایی پرداخته است. برای تخمین وضعیت از فیلتر UKF استفاده شده است. الگوی توسعه داده شده برای توصیف تغییرات دما به کمک نرم‌افزار Thermal Desktop و SINDA صحه‌گذاری شده است. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی‌های مونت کارلو نشان می دهد که لحاظ‌ کردن ترم رسانش سبب بهبود قابل توجه دقت تخمین وضعیت می‌شود، در حالی‌که تشعشعات داخلی ماهواره افت عملکرد تخمین وضعیت را به دنبال دارند.

Keywords Persian

تخمین وضعیت
سنسور دما
شار حرارتی
تشعشع
رسانش
[1]   Farrell, J.L., “Attitude determination by kalman filtering,” Automatica, vol. 6, no. 3, 1970, pp. 419–430.
[2]   Thomas, B., “Spacecraft Attitude Determination-A Magnetometer Approach,” Aalborg Universitetsforlag, Research output: Book/Report › (Thesis Ph.D.), 1999.
[3]   Fisher, J. and Vadali, S. R., “Gyroless Attitude Control of Multibody Satellites Using an Unscented Kalman Filter,” J. Guid. Control. Dyn., vol. 31, no. 1, pp. 245–251, 2008.
[4]   Soken, H. E. and Hajiyev, C., “In flight magnetometer calibration via unscented Kalman filter,” RAST 2011 - Proc. 5th Int. Conf. Recent Adv. Sp. Technol., 2011, pp. 885–890.
[5]   Kiani M. and Pourtakdoust, S.H., “Adaptive Square-Root Cubature – Quadrature Kalman Particle Filter for satellite attitude determination using vector observations,” Acta Astronaut., vol. 105, no. 1, 2014, pp. 109–116.
[6]   Sadeghi, A. R., Sabahi, M. F. and Saberali, S.M., “Using the Joint Probabilistic Data Association Filter for Improving Star Trackers Performance to Accurate Attitude Determination of Spacecrafts,” J. Sp. Sci. Technol., vol. 9, no. 1, 2016, pp. 37–46 (In Persian).
[7]   Adami, A.H. and Nosratollahi, M., “Introducing of Attitude Determination System of a LEO Satellite with Orbital Maneuver Mission,” J. Sp. Sci. Technol., vol. 4, no. 4, 2012, pp. 1–10 (In Persian).
[8]   Oshman, Y. and Carmi, A., “Attitude Estimation from Vector Observations Using a Genetic-Algorithm-Embedded Quaternion Particle Filter,” J. Guid. Control. Dyn., vol. 29, no. 4, 2006, pp. 879–891
[9]   Labibian, A., Pourtakdoust, S.H., Kiani, M. A., Sheikhi, A. and Alikhani, A. “Experimental validation of a novel radiation based model for spacecraft attitude estimation,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 250, 2016, pp. 114–122.
[10] Khaniki, H.B. and Karimian, S.M.H., “Determining the heat flux absorbed by satellite surfaces with temperature data,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 28, no. 6, 2014, pp. 2393–2398.
[11] Khaniki, H.B. and Karimian, S.M.H., “Satellite Attitude Determination Using Absorbed Heat Fluxes,” J. Aerosp. Eng., vol. 29, no. 6, 2016, p. 04016053.
[12] Labibian, A., Alikhani, A. and Pourtakdoust, S.H., “Performance of a novel heat based model for spacecraft attitude estimation,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 70, 2017, pp. 317–327.
[13] Markley, F.L. and Crassidis, J.L., Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control, Springer, 2014.
[14] Wie, B., Space Vehicle Dynamics and Control, Second., vol. 134, no. 4. 2007.
[15] Incropera, F.P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition, John Wiley & Sons, 2005.
[16] Fortescue, P., Swinerd, G. and Stark, J., Systems Engineering Spacecraft Systems. 2011.
[17] Mittelmark, M., Sagy, S., Eriksson, M., Bauer, G., Pelikan, J. and Lindström, B., The International Handbook of Salutogenesis. 2016.
[18] “Thermal Desktop,” C&R Technol., vol. Ver. 4.8, 2005.
[19] “SINDA,” C&R Technol., vol. Ver. 4.8, 2005.
[20] Avinash, S. “How many faces of a cube you can see at a time?,” 2016.

  • Receive Date 29 December 2018
  • Revise Date 14 July 2019
  • Accept Date 23 October 2019
  • First Publish Date 22 December 2019