مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل شبه بی بعد پایدارسازی وضعیت ماهواره با مدولاتور پهنا و فرکانس پالس در حضور نویز

نویسندگان
سید حمید جلالی نائینی 1
وحید بهلوری 2
1 دانشگاه تربیت مدرس
2 مهندسی هوافضا، پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران
چکیده
در این مقاله، پایدارسازی کنترل وضعیت ماهواره صلب با عملگر دو وضعیتی تراستر و مدولاتور پهنا و فرکانس پالس در حضور نویز حسگر مطالعه شده است. در این خصوص،

بازههای ترجیجی پارامترهای مدولاتور و ضریب بهره مدار پایدارسازی بر مبنای دو معیار عملکرد مصرف سوخت و فعالیت تراستر استخراج شده است. تحلیلها برای مود آرامسازی،

دوراندهی و بلوک پایدارسازی به عنوان حلقه داخلی مود نشانهروی، انجام شده است. با استفاده از معادلات شبه بیبعد، تعداد پارامترهای تنظیمی مدولاتور و پایدارسازی، کاهش

یافته و بازههای پیشنهادی بصورت شبه بیبعد و بر مبنای روش جستجوی پارامتری استخراج شده است. در فرم شبه بیبعد معادلات، بار محاسباتی بطور قابل توجهی کاهش یافته،

بویژه در حضور نویز حسگر که از تحلیل آماری استفاده شده است. مطالعه پارامتری صورت گرفته در حضور/عدم حضور نویز حسگر انجام شده است. پارامترهای تنظیمی مدار

پایدارسازی، برای حالت بدون نویز حسگر، با استفاده از بهینهسازی ژنتیک چند هدفه بدست آمده است. همچنین رفتار پارامترهای پایدارسازی بر اساس چگالی طیفی نویز، تحلیل

شده و به منظور بررسی دقیقتر نواحی ترجیحی، هر کدام از نمودارهای طراحی برای یک مقدار مشخص چگالی طیفی نویز ترسیم شده است. در نهایت، توصیه میشود پارامترهای

سیستمی کنترل وضعیت ماهواره در داخل نواحی ترجیحی مدار پایدارسازی، به عنوان حلقه داخلی، تنظیم شود.
کلیدواژه‌ها
پایدارسازی وضعیت ماهواره
مدولاتور پهنا و فرکانس پالس
نویز حسگر
معادلات شبه بیبعد

عنوان مقاله English

Quasi-Normalized Analysis of Satellite Stabilization with Pulse-Width Pulse-Frequency Modulator in Presence of Noise

نویسنده English

vahid bohlouri 2
2 Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran.
چکیده English

In this study, stabilization attitude control of a rigid satellite with on-off thrusters using pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulator is investigated in presence of sensor noise. The preferred regions of the PWPF modulator parameters and stabilization control gain are obtained based on the two performance indices of the fuel consumption and the total number of thruster firings. The analyses include tumbling, detumbling, and stabilization block as an internal loop of the satellite pointing mode. The design parameters are reduced by using the quasi-normalized equations of PWPF modulator. Therefore, the preferred regions are extracted based on search method in terms of grouped parameters, regardless of the value of each parameter, separately. In quasi-normalized form, the computational burden is considerably decreased, especially in the statistical analysis in the presence of sensor noise. The parametric study is carried out with/without sensor noise. The parameters are also tuned using multi-objective optimization with genetic algorithm for stabilization mode without sensor noise. In the presence of sensor noise, the behaviors of the parameters are plotted versus the noise power spectral density. In order to better specify the preferred regions, each quasi-normalized design curve is plotted for a specified value of the input noise power spectral density. The parameters of the satellite attitude control system are suggested to be tuned/optimized within the preferred regions of the parameters in the stabilization loop as an internal loop.

کلیدواژه‌ها English

Satellite Attitude Stabilization
Pulse-Width Pulse-Frequency Modulator
Sensor Noise
Quasi-Normalized Equations
[1] M. J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control, A Practical Engineering Approach, First Edition, pp. 260-273, Cambridge: Cambridge University Press, 1997.
[2] R. Wertz, Spacecraft Attitude Determination and Control, pp. 206-210, Boston: Kluwer Academic Publisher, 1978.
[3] V. A. Bushenkov, M. Y. Ovchinnikov, G. V. Smirnov, Attitude stabilization of a satellite by magnetic coils, Acta Astronautica, Vol. 50, No. 12, pp. 721- 728, 2005.
[4] Y. Lin, C. Wang, Detumbling of a rigid spacecraft via torque wheel assisted gyroscopic motion, Acta Astronautica, Vol. 93, No. 1 pp. 1-12, 2014.
[5] M. Fakoor, A. Sattarzadeh, M. Bakhtiari, A novel 3-axis attitude stabilization with redundant thruster for a cube-satellite supported by reaction wheels, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 4, pp. 391-402, 2016. (in (فارسی Persian
[6] A. E. Bryson, Control of Spacecraft and Aircraft, First Edition, pp. 10-85, Princeton University Press, 1994.
[7] T. C. Anthony, B. Wie, S. Carroll, Pulse-modulated control synthesis for a flexible spacecraft, Guidance, Control and Dynamics, Vol. 13, No. 6, pp. 1014–1022, 1990.
[8] G. Arantes, L. S. Martins-Filho, A. C. Santana, Optimal on-off attitude control for the Brazilian multi mission platform satellite, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2009, No. 1, pp. 1- 17, 2009.
[9] P. A. Servidia, R. S. Pena, Practical stabilization in attitude thruster control. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 41, No. 2, pp. 584-598, 2005.
[10] S. Dee, Design of a Three-Axis Stabilized ORION Satellite Using An AllThruster Attitude Control System, Diss. Master Thesis, Naval postgraduate school, 1988.
[11] G. Song, N. Buck, B. N. Agrawal, Spacecraft vibration reduction using pulse-width pulse-frequency modulated input shaper, Guidance, Control and Dynamics, Vol. 22, No. 3, pp. 433-440, 1999.
[12] T. Krovel, Optimal Tuning of PWPF Modulator for Attitude Control, Master Thesis, Norwegian University of Science and Technology, 2005.
[13] M. Navabi, H. Rangraz, Comparing optimum operation of Pulse Width-Pulse Frequency and Pseudo-Rate modulators in spacecraft attitude control subsystem employing thruster, 6 th International Conference in Recent Advances in Space Technologies, pp. 625-630, 12 - 14 Jun, 2013.
[14] S. H. Jalali Naini, Sh. Ahmadi Darani, Preliminary design of spacecraft attitude control with Pulse-Width Pulse-Frequency modulator for Rest-toRest maneuvers, JAST, Vol. 11, No. 1, pp. 1-8, 2017.
[15] A. H. Mazinan, A. R. Khalaji, TADC: A new three-axis detumbling mode control approach, Dynamics and Control, Vol. 5, No. 2, pp. 337-346, 2017.
[16] B. Wie, C. T. Plescia, Attitude stabilization of flexible spacecraft during stationkeeping maneuvers, Guidance, Control and Dynamics, Vol. 7, No. 4, pp. 430-436, 1984.
[17] X. Huo, H. Qinglei, B. Xiao, Finite-time fault tolerant attitude stabilization control for rigid spacecraft, ISA transactions, Vol. 53, No. 2, pp. 241-250, 2014.
[18] A. C. Santana, L. S. Martins, G. Arantes, Attitude stabilization of the PMM satellite using a LQG-based control strategy, Trends in Applied and Computational Mathematics, Vol. 9, No. 2 pp. 321-330, 2008.
[19] M. M. Abid, Spacecraft Sensors, pp. 95-135, New York: John Wiley & Sons, 2005.
[20] R. Farquhar, S. U. Aeronautics, S. Astronautics, Analog studies of the limitcycle fuel consumption of a spinning symmetric drag - free satellite, Technical Report in Stanford university, Sponsored by the National Aeronautics and Space Administration, 1996.
[21] S. H. Jalali Naini, V. Bohlouri, Quasi-Normalized static and dynamic analysis of Pulse-Width Pulse-Frequency modulator in presence of input noise, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 12, pp. 455-466, 2016. (in Persian فارسی(
[22] X. Wang, D. Wang, S. Zhu, E. K. Poh, Fractional describing function analysis of PWPF modulator, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 13, No. 1, pp.1-6, 2013.
[23] J. Li, M. Post, T. Wright, R. Lee, Design of attitude control systems for CubeSat-class nanosatellite, Control Science and Engineering, Vol. 13, No. 1, pp. 1-15, 2013.
[24] R. A. Hall, S. Hough, C. Orphee, K. Clements, Design and stability of an onorbit attitude control system using reaction control thrusters, AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 2016
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 1
فروردین 1397
صفحه 165-176