Satellite attitude control with thrusters and reaction wheels in station keeping maneuver

Abstract

Bu tezde 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.

This thesis presents a control allocation method for momentum management and station-keeping maneuvers simultaneously. The considered satellite model is equipped with internal and external actuators to control the satellite’s orbit and attitude and, concurrently, dumping 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 enforces constraints that maintain orbital accuracy and the satellite in the desired attitude configuration while minimizing the use of thrusters and significantly reducing fuel consumption. The method combines two generally separated objectives of orbital and attitude control through constraints determined by the propulsion system. Presented numerical simulations show that the proposed control allocation method significantly increases the service life of geostationary satellites.