Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Performance Analysis of an Integrated Magnetic Attitude Control System for the Operational Modes of a Satellite

Document Type : Original Research Paper

Author
Iranian Space Research Institute, Tehran, Iran
10.22034/jsst.2026.1604
Abstract
Reliability of the Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS), particularly during emergency conditions and prior to entering precise pointing modes, is of critical importance. This issue can be addressed either through reliability analysis methods or by employing hardware components with low failure rates. In this paper, magnetic torquers are considered due to their simple structure, continuous operability in different mission modes, and lack of consumable resources. Accordingly, an integrated attitude determination and control system, incorporating both attitude determination and control processes simultaneously and utilizing only magnetic torquers in all operational modes, is proposed for a low-Earth-orbit microsatellite. Attitude determination is performed using sun sensor, magnetometer, and gyroscope measurements based on the multiplicative quaternion extended Kalman filter. Sensor noise and misalignment models are incorporated to evaluate estimation performance, while major environmental disturbance torques are considered to assess system robustness. Attitude control algorithms are designed for three main operational modes, including detumbling, sun-pointing, and nadir-pointing, and their stability is proven using Lyapunov theory. Numerical simulations are conducted to evaluate system requirements and performance. The results indicate that the detumbling process is completed in less than two orbital periods, while sun-pointing and nadir-pointing accuracies better than 22° and 5° are achieved, respectively. Comparison with representative references demonstrates that the proposed ADCS can effectively operate during emergency conditions and before transitioning to high-precision pointing modes.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

تحلیل عملکرد سامانه کنترل وضعیت مغناطیسی یکپارچه برای مدهای عملیاتی یک ‌ماهواره

Author Persian

امیر لبیبیان
پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
Abstract Persian

قابلیت اطمینان زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت، به‌ویژه در شرایط اضطراری و پیش از ورود به مدهای نشانه‌روی دقیق، از اهمیت بالایی برخوردار است. این موضوع می‌تواند از طریق تحلیل قابلیت اطمینان یا بهره‌گیری از المان‌های سخت‌افزاری با نرخ خرابی پایین مورد توجه قرار گیرد. در این مقاله، با تکیه بر ساختار ساده، قابلیت عملکرد پیوسته در مدهای مختلف عملیاتی و عدم نیاز به منابع مصرفی، استفاده از گشتاوردهنده‌های مغناطیسی به‌عنوان راهکاری قابل اعتماد بررسی شده است. بر این اساس، یک سامانه یکپارچه تعیین و کنترل وضعیت که فرآیندهای تعیین و کنترل وضعیت را به‌صورت توأمان در بردارد و در تمامی مدهای عملیاتی تنها از گشتاوردهنده‌های مغناطیسی استفاده می‌کند، برای یک میکروماهواره در مدار پایین زمین ارائه شده است. در سامانه پیشنهادی، تعیین وضعیت بر پایه داده‌های سنسور خورشید، مغناطیس‌سنج و ژایروسکوپ و با استفاده از فیلتر کالمن توسعه‌یافته مبتنی بر کواترنیون ضربی انجام می‌شود. همچنین، مدل‌سازی نویز و خطای همراستایی سنسورها و اثر گشتاورهای اغتشاشی اصلی به‌منظور ارزیابی پایداری و مقاومت سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. الگوریتم‌های کنترل وضعیت برای سه مد چرخش‌زدایی، نشانه‌روی خورشید و نشانه‌روی زمین طراحی شده و پایداری آن‌ها با استفاده از تئوری لیاپانوف اثبات شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد فرآیند چرخش‌زدایی در کمتر از دو تناوب مداری تکمیل شده و دقت نشانه‌روی خورشید و زمین به‌ترتیب بهتر از ۲۲ و ۵ درجه حاصل می‌شود. مقایسه با مراجع منتخب، کارایی مناسب سامانه پیشنهادی را در شرایط اضطراری و پیش از ورود به مدهای دقیق تأیید می‌کند.

Keywords Persian

کنترل وضعیت مغناطیسی
سیستم یکپارچه
گشتاوردهنده مغناطیسی
مدهای عملیاتی
فیلتر کالمن توسعه یافته مبتنی بر کواترنیون ضربی

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 22 August 2026

  • Receive Date 02 November 2025
  • Revise Date 28 May 2026
  • Accept Date 29 June 2026
  • First Publish Date 22 August 2026