بررسی اثر پارامترهای هندسی و محیطی بر پاسخ معادلات حاکم بر حسگر پویشی افق زمین و آنالیز خطای محاسبه وضعیت ماهواره

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

2 استادیار پژوهشکده مکانیک پژوهشگاه فضایی ایران، شیراز، ایران

3 دانشیار بخش مکانیک جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

4 استادیار بخش مکانیک جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

این پژوهش جهت تخمین خطای حل معادلات تعیین وضعیت یک حسگر افق زمین پویشی دو مخروطی با در نظر عوامل مختلف هندسی و محیطی نسبت به حالت ساده، انجام شده‌است. در فرآیند استخراج معادلات تعیین وضعیت این حسگر، ابتدا جهت مدل‌سازی زمین از فرم ساده‌سازی شده‌ی زمین به عنوان یک کره‌ی بدون اتمسفر استفاده و وضعیت ماهواره در این حالت با وضعیت ماهواره شبیه‌سازی شده در مدار فرضی مقایسه شد. اما در واقعیت عامل هندسی بیضی‌گون بودن زمین و عوامل محیطی همچون محدوده‌ی دید حسگر، اثر اتمسفر و بازتابش از سطح زمین موجب بروز خطا در اندازه‌گیری موقعیت ماهواره نسبت به حالت ساده می‌شوند. بنابراین با قراردهی این حسگر بر روی یک ماهواره، شبیه‌سازی حرکت در یک مسیر واقعی و مدل‌سازی در شرایط مختلف هندسی و محیطی مختلف پالس ورودی به حسگر و در نهایت موقعیت ماهواره محاسبه گردید. در ادامه با مقایسه‌ی موقعیت محاسبه شده توسط آن‌ها نسبت به حالت ساده، میزان تاثیر هر کدام را در بروز خطا تعیین گردید. شبیه‌سازی‌ها براساس حسگر افق زمین پویشی ساخته شده در پژوهشکده مکانیک پژوهشگاه فضایی ایران بر روی ماهواره‌ی میکروماوس انجام شده است. براساس این پژوهش، بیشترین میزان بروز خطا نسبت به حالت ساده در زاویه‌ی چرخش به ترتیب مربوط به اثر اتمسفر و بازتابش از سطح زمین، بیضی‌گون بودن زمین و عامل محدوده‌ی دید حسگر و در زاویه‌ی گام، بیشترین خطا به ترتیب مربوط به عامل زمین بیضی‌گون، اثر اتمسفر و بازتابش از سطح زمین و در نهایت عامل محدوده‌ی دید حسگر تعیین شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]
Lo J (1986) Optimal estimation for the satellite attitude using star tracker measurements. Automatica,  22(4): 477-482.
[2]
Psiaki ML (1999) Autonomous Low-Earth-Orbit Determination from Magnetometer and Sun Sensor Data. J Guid Control Dyn, 22(2): 296-304.
[3]
Edelstein M, Knoll A (1965) Estimation of local vertical and orbital parameters for an earth satellite using horizon sensor measurement. AIAA, 3(2): 338-345.
[4]
Rycroft MJ, Stengel RF (1997) Attitude determination hardware. in Spacecraft dynamics and control, Cambridge, Cambridge university press.
[5]
Anderson R, Astheimer R, Beris J, Bohling R, Carroll F, Dodjen J, Earl M, Hieatt J, Knight S, Raskin W, Reid R, Thomas J. (1969) Spacecraft earth horizon sensors. NASA.
[6]
Wu J, Shan S (2019) Dot-Product Equality Constrained Attitude Determination from Two Vector Observations: Theory and Astronautical Applications. Aerospace, 6(9).  
]7[ رئیسی ب، غفرانی ف (2020) حسگر افق زمین تصویری با الگوریتمی مستقل از ارتفاع. دو فصلنامه علوم، فناوری و کاربردهای فضایی، 1(1).
[8]
Nastanson G, Glickman J (2000) A study of TRMM statics earth sensor preformance using on-orbit sensor data. AIAA: 350-360.
[9]
Herwaarden A (2001) Low-Cost Satellite Attitude Control Sensors Based on Integrated Infrared Detector Arrays. IEEE Trans Instrum Meas., 50(6): 1524-1529.
[10]
Herwaarden A, Herwaarden F, Molenaar S, Goudena E, Laros M, Sarro P, Schot C, Vlist WVD, Blarre L, Krebs J (2000) Design and fabrication of infrared detector arrays for satellite attitude control. Sens. Actuator A Phys., 83: 101-108.
[11]
Soto-Romero G, Bony F, Simonne J, Fourniols J (2001) Micro Infrared Earth Sensor project: an integrated IR camera for Earth remote sensing.  Int. Geosci. Remote Sens. Symp.
[12]
H. Van Rensburg, "An infrared earth horizon sensor for a LEO satellite," M.S., Electrical Engineering, Stellenbosch: University of Stellenbosch, 2008.
 
]13[ رئیسی  ب، غفرانی ف (2018) حسگر افق زمین تصویری مستقل از ارتفاع. شماره ثبت اختراع: 94050، ایران .
 
]14[ رئیسی ب، غفرانی ف، ابرازه ص، عرفان منش و، مهرجو ز (2018) استخراج الگوریتم تعیین وضعیت در برخی از مهم ترین انواع حسگرهای افق زمین و صحه سنجی آن به کمک شبیه سازی نرم افزاری. همایش ملی فناوری فضایی و کاربردهای آن، دانشگاه علم و صنعت, تهران.
[15]
Pisacane VL (2005) Spacecraft Attitude Determination and Control: Fundamentals of Space Systems. New York, Oxford university press.
[16]
Nguyen T, Cahoy K, Marinan A (2018) Attitude Determination for Small Satellites with Infrared Earth Horizon Sensors. J Spacecr Rockets, 55(6).
[17]
Bednarek TJ (1992) Dual Cone Scanning Earth Sensor ProcessingAlgorithms. Int. J. Satell. Commun. Netw., 1691: 181-191.
[18]
Desvignes F, Doitau F, Krebs J, Tissot M (1985) Optimal sensors for spacecraft attitude measurement with respect to the earth. Infrared Phys Technol, 590: 322-330.
[19]
Falbel G (2004) A Low Weight/Power/CostInfrared Earth Sensor. IEEE Aerosp. Conf. Proc.
[20]
Alex T, Shrivastava S (1989) On-Board Correction of Systematic Errors of Earth Sensors. IEEE Trans Aerosp Electron Syst., 25(3): 373-379.
[21]
Tekawy J, Wang P, Gray C (1996) Scanning horizon sensor attitude correction for Earth oblateness. AIAA Journal, 19: 706-708.
[22]
Ouyang G, Dong X, Li X (2016) Micro-Satellite Attitude Determination with Only A Single Horizon Sensor. Int. J. Mech. Mechatron. Eng.
[23]
Phenneger MC, Dehen J, Foch D, Harvie E and Virdy M (1989) The effects of seasonal and latitudinal earth infrared radiance variations on ERBS attitude control. Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, ASA, Goddard Space Flight Center, USA.
[24]
Ward K (1982) Modeling of the atmosphere for analysis of horizon sensor performance. Sen. Des. Using Comp. Tools, 327: 67-78.
[25]
Modenini D, Zannoni M (2019) A High Accuracy Horizon Sensor for Small Satellites. IEEE MetroAeroSpace, Torino.
[26]
Xianbin H, Jianhui Z, Zhijun T (2015) Research on the method of suppressing sun and moon’s interference on infrared conical earth sensor. J. Aerosp. Eng., 229(3): 399-406.
[27]
Gou B, Chenga Y, de Ruiterb A (2019) Altitude estimation for a celestial navigation system based on infrared Earth measurement. Acta Astronaut., 159: 105-111.
[28]
Li J, Gao C, Feng T, Jing W (2016) Error Correction of Infrared Earth Radiance for Autonomous Navigation. J. Navig., 67: 1427-1437.
[29]
Unhelkar V (2012) Satellite Attitude Estimation using Sun Sensors, Horizon Sensors and Gyros. Department of Aerospace Engineering Indian Institute of Technology, Bombay, 2012.
[30]
https://www.isrc.ac.ir/fa.
 
]31[ وصال م (2016) شبیه سازی حسگر افق زمین با در نظر گرفتن پارامترهای هندسی، محیطی و دینامیکی. دانشکده مهندسی مکانیک بخش مکانیک جامدات دانشگاه شیراز، شیراز.  
]32[ وصال م، رئیسی ب، محزون م، تقوایی س (2017) شبیه سازی دو مدل حسگر افق زمین با در نظر گرفتن پارامتر شدت تابش سطوح مختلف. بیست و هفتمین کنفرانس سالانه بین المللی انجمن مهندسان مکانیک ایران، تهران.
[33]
Wertz JR (1978) Spacecraft attitude determination and control. Dordrecht, Holland: D. Reidel Publishing Company.
[34]
L. Team (2010) http://lroc.sese.asu.edu. Arizona State University.
[35]
https://www.n2yo.com/