Detalhes bibliográficos
| Ano de defesa: |
2015 |
| Autor(a) principal: |
Francisco Granziera Junior |
| Orientador(a): |
Evandro Marconi Rocco,
Roberto Vieira da Fonseca Lopes |
| Banca de defesa: |
Maria Cecília França de Paula Santos Zanardi,
Luiz de Siqueira Martins Filho,
Sandro da Silva Fernandes |
| Tipo de documento: |
Tese
|
| Tipo de acesso: |
Acesso aberto |
| Idioma: |
por |
| Instituição de defesa: |
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
|
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
BR
|
| Resumo em Inglês: |
This thesis presents an integrated approach to design the satellite attitude estimator and the attitude controller considering different types of errors present in the sensors and actuators. The main contribution of this work is in the multi-objective approach to the problem of attitude determination and control taking into account random and non-random errors. This includes the recognition of conflicts in goals and identifying the conditions in which they are manifested as well as obtaining the optimal gains of the estimator and the controller. Throughout the text it is made a review of the satellite attitude control loop. Attitude sensors are introduced with full emphasis on star sensors (STR) including the operation description of STRs and a description of the sources of uncertainty that lead to the arising of low frequency errors (LFE) and noise equivalent errors (NEA). It is also made a list of this type of sensor comparing the main features of the models available on the market. A mathematical modeling of attitude data fusion of two STRs is performed so as to obtain a final equation for the NEA and LFE errors after fusion. It is also studied the effect of an estimation attitude system that makes use of gyros aiming to reducing the angular noise. The control loop of a PD controller is modeled taking into account the noise and errors of the elements that compose it. The aim is to obtain equations that relate these errors to conflict in the choice of the controller parameters such as natural frequency and damping factor. The problem of the merger of two STRs attitude is approached on multi-objective view. Four techniques are described for obtaining the Pareto curve and to explore their limitations and complementarities: the algebraic method, the numerical scanning method, the statistical search method and a genetic algorithm method. Several cases of STRs data fusion are simulated and considering typical cases and hypothetical insertion with or without twists in the loop estimation. The control loop is also inserted and analyzed in multi-objective context. Case studies are carried out inspired in the basic configuration of the Multi- Mission Platform and exploratory variants. The ultimate multi-objective problem is formulated with three cost functions: Pointing error, Drift and Attitude Determination error. As a solution to the multi-objective problem it is applied the Smallest Loss Criterion with using plots of Schilling graphics on logarithmic axes. The analysis showed that for cases where STRs were identical orthogonally positioned, the multi-objective analysis method proved to be of little relevance, but as the configuration departs from this ideal case, with sensors having different characteristics and the angle between their boresights becoming more acute, the method provides significant impact in mitigating the errors, especially in the LFE. |
| Link de acesso: |
http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/04.24.14.00
|
Resumo: |
Esta tese apresenta uma abordagem integrada para projetar o estimador e o controlador de atitude de satélites considerando diferentes tipos de erros presentes nos sensores e atuadores. A principal contribuição do trabalho está na na abordagem multi-objetivo do problema de determinação e controle de atitude, levando em conta erros aleatórios e não aleatórios. Isto inclui o reconhecimento da existência de conflitos nos objetivos e a identificação das condições em que estes se manifestam, além da obtenção propriamente dita dos ganhos ótimos do estimador e do controlador. Ao longo do texto é feita uma revisão sobre malhas de estimação e controle de atitude de satélites onde são introduzidos os sensores de atitude com plena ênfase aos sensores de estrela (STR) incluindo a descrição do funcionamento dos STRs de última geração e a descrição sobre as fontes de incertezas que levam ao surgimento dos erros de baixa frequência (LFE) e aleatórios (NEA). Também é feita uma listagem deste tipo de sensor comparando as principais características dos modelos disponíveis no mercado. Uma modelagem matemática da junção de dados de atitude de dois STRs é realizada de forma a obter um equacionamento para os erros LFE e NEA finais após a fusão. Também é estudado o efeito de uma malha de estimação de atitude que faça uso de girômetros com intuito de atenuar o ruído angular. A malha de controle com um controlador PD é modelada levando em conta os ruídos e erros dos elementos que a compõem, até se obter equações que relacionem estes erros aos conflitos na escolha dos parâmetros do controlador, tipicamente a frequência natural. O problema da fusão de atitude de dois STRs é abordado sobre o olhar multi-objetivo. São descritas quatro técnicas para obtenção da curva de Pareto e exploradas suas limitações e complementaridades: o método algébrico, o método numérico de varredura, o método de experimentação estatística e o método por algoritmo genético. Diversos casos de fusão de dados de STRs são simulados e considerando casos típicos e hipotéticos com inserção ou não de giros na malha de estimação. A malha de controle também é inserida e analisada no contexto multi-objetivo. Estudos de casos são realizados inspirados na configuração básica da Plataforma Multi-Missão e variantes exploratórias. O problema multi-objetivo final é formulado com três funções custo: Erro de Apontamento, Deriva e Erro Total de Determinação de Atitude. Como solução para o problema multi-objetivo aplicou-se o Critério de Perda Mínima com utilizando-se de plotagens de gráficos de Schilling em eixos logarítmicos. As análises mostraram que para casos em que os STRs eram idênticos posicionados ortogonalmente, o método de análise multi-objetivo mostrou-se pouco relevante, mas conforme a configuração se afasta deste caso ideal, com os sensores apresentando características distintas e o ângulo entre seus eixos de visada se tornando mais agudo, o método proporciona impacto significativo na mitigação dos erros, principalmente do LFE. |
