Design of Attitude Control System of an Axisymmetric Satellite with Gravity Gradient Stabilization and Slow Spinning about Yaw Axis

Bolandi, H.; Ghorbani-Vaghei, B.; Fani- Saberi, F.

Design of Attitude Control System of an Axisymmetric Satellite with Gravity Gradient Stabilization and Slow Spinning about Yaw Axis

Authors

H. Bolandi

B. Ghorbani-Vaghei

F. Fani- Saberi

Abstract

Attitude control system of satellite with Gravity Gradient stabilization requires high moments of inertia ratio for providing stability and continuous orientation toward Earth. Although, this high ratio causes satellite has small body and reduce mission capability. In this paper, moments of inertia ratio is reduced using a closed form formula based on our previous work, in such a way that it could be provided more missions by augmented solar panels to satellite. Solar orientation could be yielded by rotating satellite about gravity gradient boom (yaw rotation). Interaction between yaw rotation and satellite rotation around Earth causes biased-attitude error in roll axis. To overcome this problem, it is necessary to reduce yaw rotation by adding a reaction wheel toward boom direction. To realization this method, stability criteria of gravity gradient is developed and control law for small and large angles rotation is designed in such a way that angular momentum and moment constraints of reaction wheel to be satisfied. Finally, fine performance of attitude control system will be illustrated with simulation based on specification of an on-orbit satellite and actual consideration

Keywords

Attitude control of satellite

Gravity gradient

Slow spinning about yaw axis

Article Title Persian

طراحی سیستم کنترل وضعیت یک ماهواره با پایدارسازی گرادیان جاذبهای به منظور جهتگیری به سمت خورشید

Authors Persian

حسین بلندی

بهمن قربانی واقعی

فرهاد فانی صابری

Abstract Persian

سیستم کنترل وضعیت یک ماهواره با پایداری گرادیان جاذبه‌ای به منظور جهت‌گیری دائم به سمت زمین و ایجاد پایداری به نسبت ممان اینرسی زیاد نیاز دارد. در چنین ماهواره‌هایی، نسبت ممان اینرسی بسیار زیاد سبب کوچک‌شدن بدنة اصلی ماهواره و کاهش قابلیت‌های مأموریت می‌شود. در این مقاله، نسبت ممان اینرسی به‌وسیلة یک فرمول بسته بر اساس فعالیت‌های گذشته، چنان کاهش داده می‌شود که بتوان قابلیت اضافه‌کردن پانل‌های خورشیدی و مأموریت‌های بیشتر را فراهم کرد. چرخش ماهواره به سمت خورشید با چرخش ماهواره حول محور بوم به‌دست می‌آید که در تلفیق با چرخش ماهواره بدور زمین سبب ایجاد خطا در راستای محور رول می‌شود. به منظور کاهش این خطا، می‌توان سرعت چرخش ماهواره حول محور بوم را کاهش داد. در راستای تحقق این راه حل، با اضافه‌کردن یک چرخ عکس‌العملی در راستای بوم گرادیان جاذبه‌ای، توسعة شرط پایداری سیستم گرادیان جاذبه‌ای، قابلیت چرخش ماهواره به‌صورت متناوب و تک‌جهته به سمت خورشید ایجاد می‌شود. در این‌راستا، قانون کنترل برای چرخ در دو حالت زوایای کوچک و بزرگ چنان طراحی می‌شود که گشتاور مورد نیاز و اندازه حرکت زاویه‌ای چرخ محدود باشد. در نهایت با شبیه‌سازی بر روی دینامیک و مشخصات یک ماهواره فعال در مدار و در نظر گرفتن ملاحظات عملی، صحت عملکرد سیستم کنترل وضعیت نشان داده می‌شود.

Keywords Persian

کنترل وضعیت ماهواره

گرادیان جاذبه‌ای

جهت‌گیری به سمت خورشید

[1] Nurre, G. S. and Weygandt, P. C., “Application of GG Stabilization to large manned Space Vehicles”, Proceeding of Symposium on gravity Gradient attitude Stabilization EL Segundo CA Airforce System Command, Sep. 1969.

[2] بلندی، حسین و قربانی واقعی، بهمن. «طراحی سیستم گرادیان جاذبه‌ای برای یک ماهوارة متقارن با چرخش محدود حول محور یاو با استفاده از کنترل مغناطیسی»، ششمین کنفرانس سراسری انجمن هوافضای ایران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، اسفند 1385.

[3] بلندی، حسین، فرهادی، علیرضا و عطایی، محمد. «ارائه دو الگوریتم جدید برای طراحی سیستم کنترل وضعیت و پایدارسازی یک ماهواره با استفاده از گرادیان جاذبه‌ای»، هفتمین کنفرانس مهندسی برق ایران، مرکز تحقیقات مخابرات ایران، اردیبهشت 1378.

[4] Hodgart, M. S., Gravity Gradient and magnetorquing Attitude Control for Low-Cost Low-Earth Orbit Satellites-The Uosat Experience, Ph. D Dissertation, University of Surrey, June 1989.

[5] Tsiotras, P. and Shen, H. “Satellite Attitude Control and Power Tracking with Energy/Momentum Wheels”, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 24, No. 1, 2001, pp. 23-34,.

[6] Yoon, H. and Tsiotras, P. “Spacecraft Adaptive Attitude and Power Tracking with Variable Speed Control Momentum Gyroscopes”, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 25, No. 6, pp. 1081-1090, 2002.

[7] Hall, C. D., Tsiotras, P. and Shen, H., “Tracking Rigid Body Motion Using Thrusters and Momentum Wheels”, Journal of Astronautical Sciences, Vol. 50, No. 3, 2003.

[8] قربانی‌واقعی، بهمن. مدل‌سازی و طراحی سیستم تعیین و کنترل وضعیت یک ماهواره برای جهت‌گیری دائم به سمت زمین و جهت‌گیری متناوب به سمت خورشید، پایان‌نامه دکتری برق- کنترل، دانشگاه علم و صنعت ایران، اردیبهشت 1386.

[9] Bolandi, H., Soleimanzadeh, M. and Ghorbani, B. “A Coarse Sun Sensor for Attitude Determination of Spacecraft”, The 6th Iranian Aerospace Society Conference, K. N.Toosi University of Technology, Feb. 2007.