İtici ve Tepki Tekeri Kullanarak Yerdurağan Uyduların Yönelim Sağlama ve Yörünge Düzeltmesi için Bir Kontrol Dağıtımı Yöntemi Geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada yerdurağan yörüngedeki bir uydunun eşzamanlı olarak yörünge düzeltmesi ve momentum yönetimi yapabilmesi için bir kontrol dağıtım yöntemi önerilmektedir. Ele alınan uydu modeli, uydunun yönelimini ve yörüngesini kontrol etmesi ve aynı zamanda tepki tekerlerinde depolanan açısal momentumu boşaltmak için koordine edilmesi gereken içsel ve dışsal eyleyiciler ile donatılmıştır. Yöntem, kontrol hedeflerine ulaşmak için içsel ve dışsal eyleyicilerin birleşiminin nasıl dağıtıldığını gösterir. Tepki/momentum tekerleri gibi iç eyleyiciler momentumun korunmasına dayalı tork üretirler. Bu çalışmada uydu yönelimini ve tepki tekeri hızlarını kontrol eden iki farklı kontrolcü tasarlanmıştır. Uydu yöneliminin üç eksende kontrol edilebilmesi için en az 3 adet tepki tekerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada herhangi bir tekerin arızalanması durumunda kontrolün sağlanabilmesi için dört adet tepki tekeri kullanılmıştır. Buna ek olarak, kullanılan altı adet kimyasal itici ile Doğu-Batı ve Kuzey-Güney yörünge düzeltme manevraları yapılabilmektedir. Uydunun görev ömrü boyunca hizmet verebilmesi için uydudaki yakıt kullanımının optimize edilmesi gerekir. Önerilen kontrol dağıtım yöntemi, iticilerin kullanımını en aza indirerek yakıt tüketimini önemli ölçüde azaltırken, yörünge doğruluğu ve ayakucu noktasını işaret eden bir yönelim yapılandırmasında uyduyu koruyan kısıtlamaları uygulamaktadır. Yöntem, yörünge ve yönelim kontrolünün genellikle ayrıştırılmış iki hedefini tahrik sistemi üzerindeki belirlenen kısıtlamalar yoluyla birleştirir. Önerilen yöntemi doğrulamak için sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyonlar, önerilen kontrol dağıtım yönteminin kullanılmasının yerdurağan uyduların hizmet ömrünü önemli ölçüde arttırabileceğini göstermektedir.

Keywords

• Momentum Boşaltma
• Mevzi Koruma
• Kimyasal İtki Sistemi
• Tepki Tekeri
• Eniyileme
• Yerdurağan Uydu

Control Allocation of a GEO Satellite for Station-Keeping and Momentum Management by Using Thrusters and Reaction Wheels

Abstract

This paper presents a control allocation method for simultaneous station-keeping and momentum management maneuvers. The considered satellite model is equipped with internal and external actuators to control the satellite’s orbit and attitude and, concurrently, unload the angular momentum stored in the reaction wheels. Our method allocates the external and internal actuators to achieve the control objectives. Internal actuators such as reaction wheels generate torque based on the conservation of the momentum. In this study, two different controllers are utilized to control satellite attitude and reaction wheel speeds. To manage the satellite attitude in three axes, at least three reaction wheels are needed. In this study, four reaction wheels are used to ensure control in case of failure of a reaction wheel. In addition, with six chemical thrusters, east-west and north-south orbit correction maneuvers are performed. For the satellite to serve throughout its service life, fuel optimization of the satellite is required. The proposed control allocation method will enforce constraints that maintain orbital accuracy and the satellite in a nadir pointing attitude configuration while minimizing the use of thrusters, significantly reducing fuel consumption. The method combines the two generally separated objectives of orbital and attitude control through constraints determined by the propulsion system. Numerical simulations are performed to validate the proposed method. The simulations show that using the proposed control allocation method can significantly increase the service life of geostationary satellites.

Keywords

• Momentum Management
• Optimization
• Control Allocation
• Reaction Wheel
• Geostationary Satellite
• Station Keeping

References

1. Park, B., Tank, M., Bang, H., Park, C., & Jin, J. (2005). A new approach to on-board stationkeeping of GEO-satellites. Aerospace Science and Technology, 722-731.
2. Chao, C. C., & Baker, J. M. (1983). On the propagation and control of geosynchronous orbits. Journal of the Astronautical Sciences, 31, 99-115.
3. Curtis, H. (2010). Orbital Mechanics for Engineering Students. Daytona Beach Florida: Butterworth-Heinemann.
4. Emma, B. P., & Pernicka, H. J. (2003). Algorithm for Autonomous Longitude and Eccentricity Control for Geostationary Spacecraft. Journal of guidance, control, and dynamics, 26(3), 483-490.
5. Bruijn, F., & Theil, S. (2016). Geostationary Satellite Station-Keeping Using Convex Optimization. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.39, No.3.
6. Losa, D. (2007). High vs Low Thrust Station Keeping Maneuver Planning for Geostationary Satellites. Paris: École Nationale Supérieure des Mines de Paris.
7. Guelman, M. M. (2014). Geostationary satellites autonomous closed loop station keeping. Acta Astronautica, 9-15.
8. Markley, F. L., & Crassidis, J. L. (2014). Attitude Kinematics And Dynamics. In Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control (pp. 67-84). New York: Springer.

9. Mirjalili, S. (2016). SCA: A sine cosine algorithm for solving optimization problems. Knowledge-BasedSystems, 96, 120-133.
10. Özgören, M. K. (2007). Kinematic Analysis of Spatial Mechanical Systems Using Exponential Rotation Matrices. Journal of Mechanical Design, 129, 1144-1152.
11. Satpute, S., & Emami, M. R. (2019). Concurrent Station Keeping and Momentum Management of Geostationary Satellites. The Journal of the Astronautical Sciences, 66, 341-360.
12. Shrivastava, S. K. (1978). Orbital Perturbations and Stationkeeping of Communication Satellites. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 15(2), 67-78.
13. Thomas, D. (2016). A Comparison of GEO Satellites Using Chemical and Electric Propulsion. Retrieved from www.colorado.edu.
14. Weiss, A., Kalabic, U. V., & Cairano, S. D. (2018). Station keeping and momentum management of low-thrust satellites using MPC. Aerospace Science and Technology, 76, 229-241.