طراحی افزونگی ناوبری تلفیقی جدید با استفاده از مدلسازی ترکیبی در تعیین وضعیت یک ماهواره در مدار LEO

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / پژوهشگاه تحقیقات ماهواره، مرکز تحقیقات فضایی

2 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

3 عضو هیات علمی / پژوهشکده سامانه های ماهواره پژوهشگاه فضایی ایران

چکیده

استفاده از روش های مبتنی بر مدلسازی ریاضی و مدل سازی بر اساس داده برای طراحی زیر سیستم های ناوبری هر کدام دارای معایبی از قبیل عدم قطعیت و وجود نامعینی در تعیین پارامترهای مدلسازی می باشند. در این مقاله، معادلات حاکم بر حرکت وضعی ماهواره را مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، در این مقاله با فرض تکراری بودن اغتشاشات مداری در هر دور چرخش ماهواره به دور زمین، اغتشاشات مداری که مهمترین علت بروز نا معینی در مدل سازی ریاضی ماهواره می باشد ابتدا توسط مشاهده گر مد-لغزشی مرتبه دوم تخمین زده می شود. سپس مقادیر تخمین زده شده از اغتشاشات مداری با مدل سازی ریاضی ماهواره ترکیب می شود و به عنوان افزونگی نرم افزاری برای شناسایی و تشخیص خرابی بکار گرفته می شود. برای آزمون روش پیشنهادی مدل غیر خطی یک ماهواره در نظر گرفته شده است و سیستم ناوبری پیشنهادی بر اساس مدل دینامیکی بر روی آن بررسی شده است. نتایج شبیه‌‌سازی بهبود دقت داده‌های ناوبری بدون افزودن سنسور جدید سخت افزاری را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design a Novel Model Aided Navigation using hybrid Modeling for Attitude determination in Earth-orbiting Satellite

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammad Hassani 1
  • A.Majid Khoshnood 2
  • Peyman Nikpey 3
1 Unit 5,Floor 3,No 11,Simayeh Shomali St, Yazdanian St, Shariati Avenue, Tehran
2 Aerospace Faculty Member/ K.N.Toosi university of Technology
3 Satellite Research Institute/Iranian Space Research Center
چکیده [English]

Using mathematical and databased modeling for designing navigation subsystems has some disadvantages such as the presence of uncertainty in the parameter's identification. In this paper, the dynamic Mathematical model of the attitude channels of the satellite is investigated. For this purpose, second-order sliding mode theory is employed to estimate external perturbation torques acting on an Earth-orbiting satellite. Then, due to the repetition of external perturbation torques in each orbital period, grey box modeling is proposed by applying estimated external perturbation torques to attitude mathematical modeling, attitude rate can be derived simultaneously. Next, to design fault detection and isolation subsystems, a proposed soft sensor is employed to generate the estimation residual as an indicator of predefined navigation faults. A nonlinear model of the earth-orbiting satellite is simulated using specific navigation failures. The results verified the feasibility of the proposed system. The simulation results show an improvement in the accuracy of the navigation data instead of the addition of a new hardware sensor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Earth-Orbiting Satellite
  • Perturbation torques
  • Nonlinear Disturbances Observer
  • navigation system
  • fault detection
[1] J. Wertz, D. F. Everett, and J.J. Puschell, Space mission engineering: the new SMAD, Microcosm Press, pp. 522-572, 2011.
[2] Jemin, J. L. Crassidis, Sensitivity Analysis of Disturbance Accommodating Control with Kalman Filter Estimation, In Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. 2007.
[3] H. Gunnar, and J.Sternby. "Rejection of periodic disturbances with unknown period-a frequency domain approach." In American Control Conference, vol. 2, pp. 1626-1631. IEEE, 1994.
[4] C.Hyland , L. D. Davis, A.Das, and G.Yen, "Autonomous neural control for structure vibration suppression.", In AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, Paper No. AIAA-96-3923, San Diego, CA. 1996.
[5] U. Steve, J.Côté, and J.de Lafontaine, "In-Flight Attitude Perturbation Estimation for Earth-Orbiting Spacecraft.", The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 57, no. 3, pp. 633-665,2009.
[6] L.Chia-Shang, and H.Peng, "Disturbance observer based tracking control", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 122, no. 2,pp. 332-335,2009.
[7] J.Crassidis, and J.L. Junkins, “Optimal estimation of dynamic systems”, CRC press, 2011.
[8] Rogers, T. J., et al. "On a grey box modelling framework for nonlinear system identification." Special Topics in Structural Dynamics, Volume 6. Springer, Cham, 2017. 167-178.
[9] Hassani, Mehdi, Jafar Roshanian, and A. Majid Khoshnood. "On-line attitude perturbation estimation in the earth-orbiting satellite." Aerospace Science and Technology70 . 2017. 189-197.‏
‏[10] B.Giorgio, "A survey of applications of second-order sliding mode control to mechanical systems”, International Journal of control, vol.58, no.6,1247-1263, 2003.
[11] W.Lin, H.Chiang, "Super-Twisting Algorithm Second-Order Sliding Mode Control for a Synchronous Reluctance Motor Speed Drive", Mathematical Problems in Engineering,76, no.9-10, pp: 875-892, 2013.
[12] روشنی یان جعفر، خوشنود عبدالمجید، حسنی مهدی، حسنی احسان. تخمین برخط مقاوم اغتشاشات مداری با استفاده از تئوری مد لغزشی مرتبه 2 برای یک ماهواره. دانش و فناوری هوا فضا. 1395