علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

توسعه روش کالیبراسیون ژایروسکوپ مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین وضعیت دقیق

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسنده
استادیار، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
چکیده
در ماهواره‌های سنجشی با تفکیک مکانی بالا، حفظ الزامات پایداری و نشانه روی برای موفقیت ماموریت حیاتی است. بدین جهت، معمولاً از ژایروسکوپ‌های بسیار دقیق به عنوان یکی از سنسورهای اصلی تعیین وضعیت استفاده می‌شود. در این راستا، به منظور جلوگیری از کاهش دقت تخمین وضعیت داده‌های ژایروسکوپ باید در فواصل زمانی مناسبی کالیبره شوند. در این پژوهش، رویکرد مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت کالیبراسیون ژایروسکوپ مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین، نخست، مدلی که در بردارنده پارامترهای اصلی ژایرو شامل بایاس‌ها، ضرایب مقیاس و عدم همراستایی‌هاست معرفی می‌شود. در ادامه، الگوریتمی مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین پارامترهای ژایرو ارائه می‌شود. سپس، از یک فیلتر کالمن توسعه یافته مبتنی بر کواترنیون ضربی به همراه داده‌های سنسور ستاره جهت تخمین وضعیت بهره گرفته می‌شود. در انتها برای ارزیابی عملکرد کالیبراسیون در حلقه کنترل وضعیت، کنترل‌کننده‌ای مبتنی بر بازخورد کواترنیون طراحی و بکار گرفته شده است. نتایج بدست آمده از حلقه کنترل وضعیت، دقت پایداری 0.005 درجه بر ثانیه و دقت نشانه روی 0.15 درجه را نشان می‌دهد که بیانگر کارایی روش ارائه شده در ماموریتهایی با الزامات کنترلی سختگیرانه است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]   L. Farian, P. Häfliger and J. A. Leñero-Bardallo, "A miniaturized two-axis ultra low latency and low-power sun sensor for attitude determination of micro space probes," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 65, no. 5, pp. 1543-1554, 2018, https://doi.org/10.1109/TCSI.2017.2763990.
[2]   J. D. Searcy and H. J. Pernicka, "Magnetometer-only attitude determination using novel two-step kalman filter approach," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 35, no. 6, pp. 1693-1701, 2012, https://doi.org/10.2514/1.57344.
[3]   R. Opromolla, G. Fasano, G. Rufino, M. Grassi, C. Pernechele, and C. Dionisio, "A new star tracker concept for satellite attitude determination based on a multi-purpose panoramic camera," Acta Astronautica, vol. 140, pp. 166-175, 2017, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.08.020.
[4]   B. Hou, Z. He, H. Zhou, and J. Wang, "Integrated design and accuracy analysis of star sensor and gyro on the same benchmark for satellite attitude determination system," IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 6, no. 4, pp. 1074-1080, 2019, https://doi.org/10.1109/JAS.2019.1911600.
[5]   S. Fujita, Y. Sato, T. Kuwahara, Y. Sakamoto, and K. Yoshida, "Attitude maneuvering sequence design of high-precision ground target tracking control for multispectral earth observations," IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), pp. 153-158, 2019, https://doi.org/10.1109/SII.2019.8700434.
[6] S. Ikari et al., "Attitude determination and control system for the PROCYON micro-spacecraft," Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 60, no. 3, pp. 181-191, 2017, https://doi.org/10.2322/tjsass.60.181.
[7]   H. Gui and A. Ruiter, "Quaternion invariant extended kalman filtering for spacecraft attitude estimation," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 41, no. 4, pp. 863-878, 2018, https://doi.org/10.2514/1.G003177.
[8] M. D. Pham, K. S. Low, S. T. Goh, and S. Chen, "Gain-scheduled extended kalman filter for nanosatellite attitude determination system," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 51, no. 2, pp. 1017-1028, 2015, https://doi.org/10.1109/TAES.2014.130204.
[9]   Y. Xing, S. Zhang, J. Zhang, and X. Cao, "Robust-extended kalman filter for small satellite attitude estimation in the presence of measurement uncertainties and faults," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 226, no. 1, pp. 30-41, 2011, https://doi.org/10.1177/0954410011407422.
[10] F. Qin, L. Chang, S. Jiang, and F. Zha, "A sequential multiplicative extended kalman filter for attitude estimation using vector observations," Sensors, vol. 18, no. 5, 2018, Art. no. 1414, https://doi.org/10.3390/s18051414.
[11] R. Burton, S. Rock, J. Springmann and J. Cutler, "Online attitude determination of a passively magnetically stabilized spacecraft," Acta Astronautica, vol. 133, pp. 269-281, 2017, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.024.
[12] L. Cao, W. Yang, H. Li, Z. Zhang and J. Shi, "Robust double gain unscented kalman filter for small satellite attitude estimation," Advances in Space Research, vol. 60, no. 3, pp. 499-512, 2017, https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.03.014.
[13] R. Zanetti and K. J. DeMars, "Fully multiplicative unscented kalman filter for attitude estimation," Journal of Guidance, Control, and Dynamics,        vol. 41, no. 5, pp. 1183­-1189, 2018, https://doi.org/10.2514/1.G003221.
[14] D. Lee, G. Vukovich, and R. Lee, "Robust unscented kalman filter for nanosat attitude estimation," International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 15, no. 5, pp. 2161-2173, 2017, https://doi.org/10.1007/s12555-016-0498-4.
[15] Z. Qiu and H. Qian, "Adaptive genetic particle filter and its application to attitude estimation system," Digital Signal Processing, vol. 81, pp. 163-172, 2018, https://doi.org/10.1016/j.dsp.2018.06.015.
[16]R. V. Garcia, W. R. Silva, P. C. Pardal, H. K. Kuga, and M. C. Zanardi, "Sequential nonlinear estimation: regularized particle filter applied to the attitude estimation problem with real data," Computational and Applied Mathematics , vol. 37, pp. 110-121, 2018, https://doi.org/10.1007/s40314-017-0511-4.
[17] M. E. Pittelkau, "Kalman filtering for spacecraft system alignment calibration," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 24, no. 6, pp. 1187-1195, 2001, https://doi.org/10.2514/2.4834.
[18] R. Pandiyan, A. Solaiappan, and N. Malik, "A one step batch filter for estimating gyroscope calibration parameters using star vectors," in AIAA/AAS Astrodynamics Specialist  Conference and Exhibit, 2004, https://doi.org/10.2514/6.2004-4858.
[19] F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control, New York: Springer, 2014, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8.
[20] J. L. Crassidis and J. L. Junkins, Optimal Estimation of Dynamic Systems, Boca Raton: CRC Press, 2012.
[21] B. Wie, Space Vehicle Dynamics and Control, 2nd ed. Reston, AIAA, 2008, https://doi.org/10.2514/4.860119.
[22] B. Wie and P. M. Barba, "Quaternion feedback for spacecraft large angle maneuvers", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 8, no. 3, pp. 360-365, 1985, https://doi.org/10.2514/3.19988.
[23] B. Wie, H. Weiss and A. Arapostathis, "Quaternion feedback regulator for spacecraft eigenaxis rotation," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 12, no. 3, pp. 375-380, 1989, https://doi.org/10.2514/3.20418.

  • تاریخ دریافت 01 شهریور 1402
  • تاریخ بازنگری 12 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش 26 مهر 1402
  • تاریخ اولین انتشار 26 مهر 1402