Um sistema de determinação e controle de atitude de baixo custo para o primeiro nonossatélite Ucraniano, UYS-1

Abstract

Este trabalho considera o desenvolvimento de um subsistema de determinação e controle de atitude de baixo custo para o nanossatélite Ucraniano UYS-1 (LCADCS, do inglês Low-Cost Attitude Determination and Control Subsystem). Para a determinação de atitude, o nanossatélite conta com medições de velocidade angular, campo geomagnético e linha de visada solar (LVS). Eventualmente, uma ou mais medições podem estar indisponíveis devido a fatores não modelados pelo LCADCS (o UYS-1 pode entrar em eclipse, sensores podem operar a diferentes taxas, sensores podem ser desligados por economia de energia, etc). Uma solução para determinação de atitude com base no estimador de quatérnios unscented (ou USQUE, do inglês: Unscented Quaternion Estimator) é proposta, fazendo-se algumas modificações na estrutura do USQUE. As modificações propostas no USQUE visam lidar melhor com os dados intermitentes e prover estimativas de velocidade angular mais precisas. Para a parte de controle de atitude, como uma restrição de projeto, é considerado que o subsistema deve contar apenas com atuação magnética descontínua, com atuadores operando em um modo relé (liga-desliga). Dada essa restrição, a maioria das soluções de controle magnético de atitude de espaçonaves presentes na literatura não se aplicam ao LCADCS, ou fornecem resultados insatisfatórios. Neste contexto, uma nova estratégia de controle é proposta para o LCADCS. A abordagem de controle proposta confere ao nanossatélite a capacidade de realizar manobras de aquisição de atitude em tempos comparáveis aos de satélites providos de atuação magnética contínua. Além disso, a abordagemproposta é capaz de estabilizar o apontamento dentro das especificações de projeto do LCADCS com perfis de atuação com baixo consumo de energia quando comparado a outras técnicas de controle magnético comatuação descontínua. A validade e a eficácia dos sistemas de determinação e controle propostos para o LCADCS são verificadas por simulações computacionais. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work considers the development of a Low-Cost Attitude Determination and Control Subsystemfor the UYS-1 nanosatellite (LCADCS). For the attitude determination, the nanosatellite has measurements of angular velocity, geomagnetic field and the sun line of sight. Occasionally, one or more measurements may be unavailable due to factors not modeled by the LCADCS (the UYS-1 can go into eclipse, sensors can operate at different rates, sensors can be turned off for power saving, etc). A solution for attitude determination based on the USQUE (Unscented Quaternion Estimator) is proposed, making some changes in the structure of the USQUE. These changes aim to a better handling of intermittent data and to provide more accurate estimates of angular velocity. For the attitude control, as a design constraint, it is considered that the subsystem must rely only on discontinuous magnetic actuation, with actuators operating in a relay mode (on-off-on). Given this restriction, most solutions of magnetic attitude control of spacecraft described in the literature do not apply to LCADCS or provide unsatisfactory results. In this context, a new control strategy is proposed for the LCADCS. The proposed approach gives the nanosatellite the ability to perform maneuvers of attitude acquisition in times comparable to satellites equipped with continuous magnetic actuation. Furthermore, the proposed approach is able to stabilize the pointing within the design specifications of the LCADCS, with actuation profiles with low power consumption when compared to other control techniques with magnetic discontinuous actuation. The validity and effectiveness of the proposed determination and control solutions for the LCADCS is tested and evaluated with computer simulations.