Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Magnetometer Calibration Using a Nonlinear Optimal Approach

Document Type : Original Research Paper

Author
Assistant Professor, Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
Abstract
Magnetometer is one of the main sensors in satellite attitude determination and control subsystems and its data calibration plays an important role in mission’s success. In this paper, the subject of magnetometer calibration using two optimal approaches is analyzed and their robustness in the presence of measurement disturbances is investigated. In this regard, firstly, a measurement model which contains main magnetometer parameters, namely, biases, scale factors and non-orthogonality corrections is presented. Then, two approaches for magnetometer calibration are proposed. In the first approach which is a centered method, nonlinear magnetometer calibration problem is transferred to a linear problem and calibration parameters are derived. However, in the second method which is based on maximum likelihood approach, magnetometer calibration problem is considered as a nonlinear problem and calibration parameters are estimated. Two kinds of magnetic field profiles are considered to evaluate the performance of calibration methods for a LEO satellite. According to the results, accuracy of the maximum likelihood approach is much better than centered method. Finally, in order to assess the robustness of the two presented methods, 100 Monte Carlo simulations are performed. Based on the Monte Carlo simulations results, estimation of calibration parameters using maximum likelihood approach is much smoother and calibration parameters are estimated more accurately.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

کالیبراسیون مغناطیس‌سنج با استفاده از رویکرد بهینه غیرخطی

Author Persian

امیر لبیبیان
استادیار، پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
Abstract Persian

حسگر مغناطیسی از حسگرهای کلیدی در زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت ماهواره بوده و کالیبراسیون داده‌های آن نقشی اساسی در موفقیت ماموریت دارد. در این مقاله موضوع کالیبراسیون حسگر مغناطیسی با استفاده از دو رویکرد متمرکز و بیشینه احتمال دو مرحله‌ای مورد تحلیل قرار گرفته و میزان مقاومت آنها به اختلالات موجود در اندازه‌گیری بررسی می‌شود. در این راستا پس از ارائه مدل اندازه‌‎گیری حسگر مغناطیسی که ارتباط بین بردار میدان مغناطیسی زمین، بردار اندازه‌گیری و اختلالات را نشان می‌دهد، دو رویکرد برای حل مسئله کالیبراسیون مطرح شده است. ابتدا با استفاده از روش متمرکز، مسئله غیرخطی کالیبراسیون به مسئله‌ای خطی تبدیل شده و سپس پارامترهای کالیبراسیون استخراج می‌شوند. در ادامه، در رویکرد دوم، مسئله کالیبراسیون بصورت یک مسئله غیرخطی در نظر گرفته شده و با استفاده از روش بیشینه احتمال پارامترهای کالیبراسیون تخمین زده می‌شوند. به جهت ارزیابی عملکرد دو روش ارائه شده، دو نوع پروفایل میدان مغناطیسی برای یک ماهواره LEO مد نظر قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهند که خطای روش بیشینه احتمال دو مرحله‌ای به مراتب کمتر از روش متمرکز است. در انتها و به جهت بررسی مقاومت روش‌ها به اختلالات اندازه‌گیری، 100 اجرا برای شبیه‌سازی مونت کارلو در نظر گرفته می‌شود. نتایج حاصل از شبیه‌سازی مونت کارلو نشان دهنده رفتار هموارتر و همچنین خطای کمتر روش بیشینه احتمال نسبت به روش متمرکز است.

Keywords Persian

کالیبراسیون
حسگر مغناطیس‌ی
بهینه‌
بیشینه احتمال
شبیه‌سازی مونت کارلو
[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, 2017, 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," in IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), Paris, France, 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] T. Nguyen, K. Cahoy, and A. Marinan, "Attitude determination for small satellites with infrared Earth horizon sensors," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 55, no. 6, pp. 1466-1475, 2018, https://doi.org/10.2514/1.A34010.
[8] R. Alonso and M. D. Shuster, "Complete linear attitude-independent magnetometer calibration," Journal of Astronautical Science, vol. 50, no. 4. pp. 477–490, 2002, https://doi.org/10.1007/BF03546249.
[9] J. R. Wertz, "Three-axis attitude determination methods," in Spacecraft Attitude Determination and Control, J. R. Wertz, Ed. Astrophysics and Space Science Library, vol. 73, Dordrecht: Springer Netherlands, 1978, pp. 410-435, https://doi.org/10.1007/978-94-009-9907-7_12.
[10] B. Gambhir, "Determination of magnetometer biases using Module RESIDG," Computer Sciences Corporation, Falls Church, VA, USA, Tech. Rep. 3000-32700-01TN, 1975.
[11] M. Rivandi, M. Mirshams, and M. Zarourati, “Design and implementation of a balance system for the cubesat attitude determination and control tabletop simulator," Journal of Space Science and Technology, vol. 16, no. 1, pp. 75-88, 2023, (in Persian), https://doi.org/10.30699/jsst.2023.1426.
[12] F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamental of Attitude Determination and Control, Springer, 2014, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8
Volume 18, Issue 2
2025
Pages 1-9

  • Receive Date 05 December 2024
  • Revise Date 08 March 2025
  • Accept Date 17 April 2025
  • First Publish Date 17 April 2025