Three-axis air-bearing based platform for small satellite attitude determination and control simulation

 

J. Prado¹., G. Bisiacchi²., L. Reyes³., E. Vicente⁴., F. Contreras¹., M. Mesinas¹., and A. Juárez¹

 

¹ Instituto de Geografía, UNAM. Circ. Ext. Cd. Universitaria, Coyoacán 04510. México D.F. México.

² Centro Tecnológico Aragón, UNAM. Av. Rancho seco S/N col. Impulsora, Cd. Nezahualcóyotl 57130, Edo. Mex. México.

³ Instituto Mexicano del Transporte, Km.12+000 Carr. Querétaro-Galindo Sanfandila, Pedro Escobedo, Qro. C.P.76700.

⁴ Instituto de Ingeniería, UNAM, Cd. Universitaria Coyoacán, 04510, México D.F. México. jprado@igg.unam.mx, pdruan@yahoo.com.mx, luis.reyes@imt.mx, evv@servidor.unam.mx

 

Received: April 28^th, 2005.
Accepted:August 23^th, 2005.

Abstract

A frictionless environment simulation platform, utilized for accomplishing three-axis attitude control tests in small satellites, is introduced. It is employed to develop, improve, and carry out objective tests of sensors, actuators, and algorithms in the experimental framework. Different sensors (i.e. sun, earth, magnetometer, and an inertial measurement unit) are utilized to assess three-axis deviations. A set of three inertial wheels is used as primary actuators for attitude control, together with three mutually perpendicular magnetic coils intended for desaturation purposes, and as a backup control system. Accurate balancing, through the platform's center of mass relocation into the geometrical center of the spherical air-bearing, significatively reduces gravitational torques, generating a virtually torque-free environment. A very practical balancing procedure was developed for equilibrating the table in the local horizontal plane, with a reduced final residual torque. A wireless monitoring system was developed for on-line and post-processing analysis; attitude data are displayed and stored, allowing properly evaluate the sensors, actuators, and algorithms. A specifically designed onboard computer and a set of microcontrollers are used to carry out attitude determination and control tasks in a distributed control scheme.

The main components and subsystems of the simulation platform are described in detail.

Keywords: Frictionless Environment Simulator, Automatic Static Balancing, Sliding Masses, Spacecraft Simulator, Spherical Air-Bearing, Wireless Monitoring System.

 

Resumen

Se presenta una plataforma de simulación de un medio sin fricción, utilizada para llevar a cabo pruebas de control de orientación en satélites pequeños. Ésta se emplea para efectuar de una manera objetiva, el desarrollo, mejoramiento y pruebas de funcionamiento de: sensores, actuadores y algoritmos; desde un punto de vista experimental. Se utilizan diferentes sensores (i.e. sol, tierra, magnetómetro y unidad de medición inercial) para determinar su desviación en tres ejes. Tres ruedas inerciales constituyen el grupo de actuadores primarios para control de orientación, trabajando en conjunto con tres bobinas magnéticas, mutuamente perpendiculares, que sirven para desaturar las ruedas y también como sistema de control de respaldo. La ejecución de un balanceo exacto, a través de la re-localización del centro de masa de la plataforma sobre el centro geométrico del balero de aire esférico, reduce significativamente los pares gravitacionales, generando un medio virtualmente libre de pares externos. Se desarrolló un procedimiento muy práctico de balanceo, para equilibrar la mesa en el plano horizontal local, logrando obtener un par residual final pequeño. Un sistema de monitoreo inalámbrico fue desarrollado con el propósito de llevar a cabo un análisis en línea y en post-proceso; los datos de orientación son desplegados y almacenados, permitiendo una correcta evaluación de sensores, actuadores y algoritmos. Una computadora a bordo de diseño específico y un conjunto de microcontroladores, llevan a cabo tareas de detección, orientación y control, en un esquema de control distribuido.

Se describen con detalle los principales componentes y subsistemas de la plataforma de simulación.

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

References

Favor de cambiar la ubicación de nombres

[1] Stanton. J., Navy, Air Force to Develop Twin-Mirror Laser-Retargeting Satellite Technology. National Defense Magazine, August 2002.         [ Links ]

[2] Wang, P., Hadaegh, F.Y. and Lau., K. Synchronized formation rotation and attitude control of multiple free flying spacecraft. J. Guidance Control & Dynamics. Vol 22, no. 1, 1999. pp. 28-35.         [ Links ]

[3] Lau., K. Colavita, M., Blackwood, G. L.R.M. Shao, and D. Gallagher., The new millennium formation flying optical interferometer. Proc. of AIAA GNC Conference. New Orleans, LA. paper AIAA 97-3820,. pp. 650-656, 1997.         [ Links ]

[4] Kim B.M., Velenis E., Kriengsiri P. and Tsiotras P., Designing a low-cost spacecraft simulator. IEEE Control Systems Magazine. 2003 pp. 26-37.         [ Links ]

[5] Roe F.D, et. al., Simulation Techniques for Avionics Systems- An Introduction to World Class Facility. Proc. of AIAA Flight Simulation Technologies Conference, no. 96-3535, (San Diego, California), 1996. pp. 535-543.         [ Links ]

[6] Shaviv, G. and Shachar, M., TechSAT-1, An Earth pointing, three-axis stabilized microsatellite. Space Technology. vol 15, No. 4. 1995 pp. 245-256.         [ Links ]

[7] Schwartz J.L, Peck M.A and Hall C.D., Historical review of air-bearing spacecraft simulators. J. of Guidance Control & Dynamics. 2003. Vol 26, no 4. pp. 513-522.         [ Links ]

[8] Fullmer et al., The Development of a Small Satellite Attitude Control Simulator. 6th. Annual AIAA-USU Conference on Small satellites. Logan, Utah. 1992 September. pp. 1-14.         [ Links ]

[9] Prado J., Peralta-Higuera A., Navarrete M., Bisiacchi G., Simulador Físico para Prueba de Sistemas de Detección de Orientación de Satélites, en un Medio sin Fricción. SOMI XII Cong. Nal. de Inst. S L P. México. Memorias del Cong. 1997. pp 738-742.         [ Links ]

[10] Haussermann W. and Kennel H., A Satellite Motion Simulator. Astronautics Vol 5 No. 12 December 1960. pp. 22-23 and 90-91.         [ Links ]

[11] Juárez A., Balanceo automático de un simulador para control de orientación de satélites. Tesis de Licenciatura, Facultad de Ingeniería, UNAM. 2001. pp. 1-76.         [ Links ]

[12] ICSENSORS Technical notes. Accelerometer model 3140. Milpitas, Cal. U.S.A. 1999.         [ Links ]

[13] SYSTRON DONNER GyroChip II Solid State Rotation Sensor. U.S.A. 1999.         [ Links ]

[14] ADVANCED ORIENTATION SYSTEMS Ez-Compass-3 Application Manual. Linden, NJ. USA. 1999.         [ Links ]

[15] Prado J., Bisiacchi., Ruiz D., Construcción y Calibración de un Sensor de Sol para Aplicación Espacial. SOMI XVII Cong. Nal de Inst. Mérida, Yuc. México, Memorias en CD. 2002. pp. 1-12. Trabajo ELECTRO36.         [ Links ]

[16] OPTOELECTRONICS OTC-11-5 series, single stage, thermoelectrically cooled lead selenide detectors datasheet. Petaluma, Cal. USA. 1985.         [ Links ]

[17] Prado J., Miranda V., Corona A., Sensor de tierra para detección de orientación de un satélite. SOMI XII Cong. Nal de Inst. SLP. México. Memorias del Cong. 1997 pp. 743-747.         [ Links ]

[18] Espinosa A. G., Salgado G., Implementación de un sistema de control de orientación para un satélite pequeño, utilizando ruedas inerciales. Tesis de Licenciatura. Ingeniería Electrónica. Facultad de Estudios Superiores Aragón, UNAM. 2002.         [ Links ]

[19] Schmidt, E. Jr., The application of magnetic attitude control to a momentum biased synchronous communications satellite. AIAA Guidance and control conference. Boston, Massachusetts. 1975 August. AIAA paper No.75-1055.         [ Links ]

[20] Bar-Itzhack, I.Y. and Shorshi, I.Y., Near Earth orbit determination using magnetometers. Proc. First ESA Int. Conf. On Spacecraft Guidance, Navigation and Control Systems. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 1991, June 4-7.         [ Links ]

[21] Juárez G., Utilización de bobinas magnéticas para control de orientación de satélites pequeños. Tesis de Licenciatura. Ingeniería Electrónica. Facultad de Ingeniería, UNAM. 1999 pp 1- 62.         [ Links ]

[22] Carrasco F., Pruebas de control de estabilización para un satélite pequeño empleando bobinas magnéticas y ruedas inerciales. Tesis de Licenciatura. Ingeniería Electrónica. Facultad de Ingeniería, UNAM. 2004. pp. 1- 86.         [ Links ]

[23] LINX TECHNOLOGIES Ref. Manual, HP-II module. Ashley Place, USA. 2001.         [ Links ]

[24] Mesinas M., Sistema de monitoreo de un simulador para control de orientación de satélites. Tesis de Licenciatura. Ingeniería Electrónica. Fac. de Ing., UNAM. . 2002. pp. 76.         [ Links ]

[25] M68HC11, Reference Manual. Motorola. U.S.A., 1991.         [ Links ]

[26] Vicente-Vivas E., et al., Space Qualified Computer Server Developed for Long Life Microsatellite Applications. Research On Computer Science, Vol.9, pp. 25-35, CIC-IPN, México, DF, 2004, Sept.         [ Links ]

[27] Olsen T., Design of an Adaptive Balancing Scheme for the Small Satellite Attitude Control Simulator (SACCS). Master Thesis, Utah State University. 1995.         [ Links ]

[28] Tuley G. W. And García J., A state of the art mass properties laboratory, Mc Donnell Douglas Helicopter Company. 48th Annual Conference of Society of Allied Weight Engineers, Inc. Alexandria, Virginia. 1989, May 22-24 . SAWE paper No. 1883.         [ Links ]

[29] Lang, W., Triaxial Balancing Techniques (A Study of Spacecraft Balance with Respect to Multiple Axes). Greenbelt, MD. NASA Goddard Space Flight Center. TN D-2144.         [ Links ]

[30] Mangus J.A., Passarello, and Van Karsen., Estimating rigid body properties from force reaction measurements. 11th Int. Modal Analysis Conf. Kissimmee, FL. 1993, pp.469-472.         [ Links ]

[31] Young J.S., Development of an automatic balancing system for a small satellite attitude control simulator (SSACS). Master thesis. Utah State University, 1998.         [ Links ]

[32] Prado J., Bisiacchi G., Dynamic Balancing for a Satellite Attitude Control Simulator. Instrumentation and Development. Journal of the Mexican Society of Instrumentation. SOMI. Vol 4. No 5. 2000. pp. 76-81.         [ Links ]

[33] Prado J., Bisiacchi G., Mesinas M., Ruiz D., Sistema de Monitoreo Inalámbrico de un Simulador Para Control de Orientación de Satélites. SOMI XVII Cong. Nal. de Inst. Mérida, Yuc. México. Memorias en CD. 2002. pp.1-12. Trabajo ELECTRO35.         [ Links ]

[34] Wertz JR. (Editor). Spacecraft Attitude Determination and Control. Kluwer Publishers, The Netherlands. 1990.         [ Links ]

[35] Rizos I, Arbes J and Raoult J.C., A Spherical Air-Bearing-Supported Test Facility for Performance Testing of Satellite Attitude Control Systems. ESRO-CR66, also 4th. IFAC Symposium. Dubrovnic, Yugoslavia. 1971, Sept. 6-10.         [ Links ]

[36] De More L.A. et. al., Design study for a high-accuracy three-axis test table. J. of Guidance Control & Dynamics. Vol 10 No. 1, 1987 Jan-Feb. pp. 104-114.         [ Links ]