Satellite Spin Stabilization by Magnetic Torquers and Validation with Air-Bearing Simulator

Arefkhani, Hamed; Mehdi-Abadi, Mehran; Dehghan, Seyed Mohammad Mehdi

Satellite Spin Stabilization by Magnetic Torquers and Validation with Air-Bearing Simulator

Document Type : Original Research Paper

Authors

Hamed Arefkhani

Mehran Mehdi-Abadi

Seyed Mohammad Mehdi Dehghan

Aerospace University Complex, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran

Abstract

In this paper, magnetic spin control using Spin and B-dot control laws have been studied in a lab environment. Evaluation of this control laws is done by a "three degrees of freedom air-bearing simulator". Due to the inherent simulator limitations, laboratory test results are visible only on one axis. Therefore, to evaluate these three-axis laws precisely, evaluation modeling is discussed by comparing the simulator dynamic and kinematic equations with the results of laboratory experiments. After evaluation of the modeling process, simulation of three-axis control law is conducted. Since the validated model shares same basis with satellite model equations except the torque disturbances caused by the distance between the center of the mass and the center of the rotation, it can be assured that these control laws are suitable for three-axis control of a satellite. Test results indicate appropriate performance of control laws.

Keywords

Magnetorquer

Magnetic spin control

ADCS Simulator

Air bearing

Article Title Persian

پایدارسازی چرخش ماهواره به کمک عملگرهای مغناطیسی و پیاده‌سازی آزمایشگاهی آن توسط شبیه‌ساز مبتنی بر یاتاقان هوایی

Authors Persian

حامد عارف‌خانی

مهران مهدی‌آبادی

سیدمحمدمهدی دهقان

مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

Abstract Persian

در این مقاله، کنترل چرخش ماهواره توسط عملگرهای مغناطیسی با استفاده از قوانین کنترل «نرخ و محور چرخش» و «کاهش نرخ نوسانات» مورد بررسی آزمایشگاهی قرار گرفته است. ارزیابی این قوانین کنترلی توسط «شبیه‌ساز سه‌درجه آزادی کنترل وضعیت ماهواره مبتنی بر یاتاقان هوایی» انجام شده است. به علت محدودیت‌های ذاتی شبیه‌ساز، نتایج تست آزمایشگاهی تنها در راستای یک محور قابل رؤیت است. بنابراین برای ارزیابی دقیق سه‌محوره این قوانین، ابتدا با مدل‌سازی معادلات دینامیکی و سینماتیکی شبیه‌ساز و مقایسة نتایج شبیه‌سازی با نتایج تست آزمایشگاهی، به ارزیابی مدل‌سازی پرداخته می‌شود. پس از اثبات صحت مدل‌سازی، شبیه‌سازی سه‌محوره قوانین‌کنترلی انجام می‌شود. از آنجا که مدل اعتبارسنجی شده مبنای یکسانی با معادلات مدل ماهواره دارد و تنها تمایز آن در گشتاور اغتشاشی ناشی از فاصله مرکز جرم با مرکز دوران است، می‌توان از امکان کنترل سه‌محوره ماهواره با این قوانین کنترل اطمینان حاصل کرد. نتایج تست‌ها نشان‌دهندة عملکرد مناسب این قوانین کنترلی است.

Keywords Persian

عملگر مغناطیسی

کنترل چرخش ماهواره

پلتفرم شبیه‌ساز تعیین و کنترل وضعیت

یاتاقان هوایی

[1]Ergin, E.I. and Wheeler, P.C., “Magnetic control of a spinning satellite” Journal of Spacecraft and Rockets, 2, 6, 1965, pp. 846-850.
[2]Wheeler, P.C., “Spinning Spacecraft Attitude Control Via the Environmental Magnetic Field,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 41, No. 2, 1967, pp. 1631-1637.
[3]Sorenson, J.S., “A Magnetic Attitude Control system for an axisymmetric spinning spacecraft,” Journal of Spacecraft and Rockets, 8, 5 (May 1971),441-448.
[4]Rodden J. J. “Closed-loop Magnetic Control of a Spin-Stabilized Satellite” Automatica, Vol. 20, No. 6, 1984, pp. 729-735.
[5]Santoni, F. and Tortora P. “Magnetic Attitude Determination and Control of Small Spinning Spacecraft,” AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 2000.
[6]Renk, F., “Attitude Control for a Micro-Satellite using only Magnetic Coils and Target Pointing for Multiple Satellites” The university of Sydney, 2005.
[7]Slavinskis, A., Kvell, U., Kulu, E., Sünter, I., Kuuste, H., Lätt, S., Voormansik, K., and Noorma, M., “High Spin Rate Magnetic Controller for Nano Satellites” Acta Astronautica, Vol. 95, 2014, pp. 218 – 226
[8]Tavakoli, A.H., Kalhor, A. and Dehghan, S. M. M.,“Implementation of Three Axis Attitude Controllers for Evaluation of a Micro-gravity Satellite Simulator,” JSST, Vol. 5, No. 2, 2012, pp. 59-68 (In Persian).
[9]Arefkhani, H., Dehghan, S.M.M. and Tavakoli, A.H., “Evaluation of Magnetic Attitude Control with Air-Bearing Simulator,” JSST, Vol. 9, No. 2, 2016, pp. 47- 60 (In Persian).
[10]Ovchinnikov, M. Yu., Penkov, V.I., Ilyin, A.A. and Selivanov, S.A., “Magnetic Attitude Control Systems of The Nanosatellite Tns-Series,” Acta Astronautica, 2016.
[11]Wisniewski R. “Satellite Attitude Control Using OnlyElectromagnetic Actuation”, (PhD Thesis),Department of Control Engineering Aalborg University Fredrik BajersVej 7, DK-9220 Aalborg Ø, Denmark, 1996.
[12]Silani, E. and Lovera, M., “Magnetic Spacecraft Attitude Control: a Survey and some New Results,” Control Engineering Practice (Elsevier), Vol. 13, Issue 3, 2005,pp. 357–371.
[13]Wang, P. and Shiessel Y.B., “Satellite Attitude Control using Only Magnetorquers,” In American Control, Philadelphia Pennsylvania, 1998.
[14]Wisniewski, R. and Blanke, M., “Fully Magnetic Attitude Control for Spacecraft Subject to Gravity Gradient,” Automatica, Vol. 35, 1999, pp. 1201-1214.
[15]Larson, W.J. and Wertz, J.R. Space Mission Analysis and Design, Microcosm, Inc. 1999.