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LUSEX LU Satellite EXperiment
AMSAT
Argentina
Determinación y Control de Actitud
Ing. Raúl Bon Foster ([email protected])
Ing. José Víctor Pérez Losada ([email protected])
Introducción
AMSAT
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Vehículo espacial = tarea
multidisciplinaria muy compleja.
Aspectos más importantes a
determinar:
•Estudio de la órbita.
•Conociento y control de actitud.
Introducción
AMSAT
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•
•
El LUSEX (LU Satellite EXperiment) es un
proyecto de satélite llevado adelante por
AMSAT Argentina con la colaboración de
miembros y otras entidades con las siguientes
premisas:
Tipo CuboSat, de solo 10 cm de cara, y de no
más de 1 Kg de peso,
Orbita Baja, polar, circular, de unos 800 Km
de altura.
Introducción
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Misión primaria:
•Proveer un repetidor en el espacio con características especiales para la experimentación.
Misiones secundarias:
•Desarrollar una tecnología de satélites
extremadamente pequeños,
•Baliza para telemetría en APRS, transmitir desde
el satélite a tierra imágenes previamente
cargadas, en modos de televisión de barrido
lento (SSTV)
Sistemas de Control de Actitud
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Conceptos de control por realimentación.
El concepto de control activo de la actitud es que misma se
mide y compara con el valor deseado. La señal de error así
obtenida se usa entonces para determinar una maniobra de
corrección de torque, que es implementada por el
actuadores de a bordo. Debido a que las perturbaciones
externas seguirán ocurriendo, y dado que las mediciones
como las correcciones serán imperfectas, el ciclo
continuará indefinidamente.
Sistemas de Control de Actitud
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Métodos de control de actitud usados normalmente:
•Volantes de inercia
•Giroscopio inercial de control
•Toberas de reacción
•Magnetorquers (Torqueadores magnéticos)
Sistemas de Control de Actitud
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•Volantes de inercia: se trata de volantes o ruedas que giran, por lo tanto
acumulan momento angular, que se opone a cambios en la dirección del eje
de giro.
•Giroscopio inercial de control: es básicamente un volante de inercia en un
cardan, colocado perpendicular al eje de rotación de la rueda. Un torque
aplicado al cardan produce un cambio en el momento angular perpendicular
al vector momento angular existente.
• Toberas de reacción: son motores que funcionan por expulsión de masa,
acción y reacción.
•Magnetorquers (Torqueadores magnéticos): son bobinas, que al circular
corriente a través de ellas, producen un campo magnético normal al plano de
la misma, el cual interactúa con el campo magnético terrestre, produciendo
un momento o par.
Perturbaciones en un vehículo espacial
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•Momentos aerodinámicos: la atmósfera superior creará una fuerza de
resistencia (Drag) produciendo un momento perturbador .
•Momentos por gradiente-gravitatorio: un objeto en órbita experimentará
una atracción más fuerte sobre su lado inferior que su lado superior. Esta
atracción diferencial, dará como resultado un momento que tiende a rotar el
objeto para alinear su eje largo con la vertical local.
•Momentos por presión de radiación solar: la presión de radiación solar
puede producir momentos perturbadores . Este momento es independiente
de la velocidad o la posición de vehículo espacial, existe mientras el
vehículo esté iluminado, y es siempre perpendicular a la línea de sol.
•Momentos magnéticos: la Tierra y los otros planetas, aún ejercen otro
momento sobre el vehículo espacial en órbitas bajas. Este momento puede
ser usado a favor de la corrección de mediante el uso de bobinas de torque.
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Perturbaciones en un vehículo espacial
Condiciones de diseño
•Perturbaciones varias: otras perturbaciones que pueden afectar la actitud de
la nave pueden ser, el venteo de fluidos internos, piezas móviles dentro del
satélite, momentos debidos a antenas, paneles solares e instrumentos de
investigación de a bordo.
Condiciones de diseño
• Conocer el estado de rotación y actitud después de la separación para
realizar el proceso de detumbling y con ello llevar al satélite a un estado
controlable.
• Conocer la posición y actitud del satélite, para controlar esta última y
orientar el satélite y los paneles al sol para máxima generación de energía.
•Dadas las limitaciones de tamaño, el sistema de control de actitud debe
tener poco peso, poco tamaño y bajo consumo de energía.
Condiciones de diseño
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•El sistema de control y estabilización debe ser en tres ejes.
•La precisión necesaria en el apuntamiento está en el orden de +/- 25
grados respecto del Sol y es principalmente dependiente de rendimiento
de la generación de energía cuando los paneles no son normales al Sol.
•Dado el tamaño, del satélite, se ha optado por el sistema de
magnetorquers, descartando otras posibilidades tales como ruedas de
reacción , toberas o giroscopios.
•Se utilizaran sensores de sol y magnetómetros, así como medición de la
corriente producida por los paneles solares. dato no aplicable para la
determinación de la actitud ya que luego de la separación, los paneles
estarán aun plegados. En el mejor de los casos aportarían información
solo en el eje +Z, e inmediatamente después de la separación la corriente,
no necesariamente será representativo del apuntamiento. En caso de
avería de algún panel se pierde referencia en dicho eje.
Sistema de control de actitud del LUSEX
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•Procesamiento de la información: esta basado en un controlador de la
familia Microchip, el DSPIC33, al cual se conectaran los sensores antes
mencionados y además los sensores de corriente de cada bobina. El
controlador de ADCS estará conectado con el procesador central del
satélite, con el cual mantendrá comunicación para la información de estado
de los sensores y actuadores, y para que el procesador central pueda enviar
los datos de los parámetros Keplerianos para la corrección de actitud.
•Bobinas de Magnetorquers: las tres bobinas deberán tener el mismo
comportamiento, por lo tanto el dimensionamiento tanto eléctrico como
mecánico será idéntico para cada una.
Sistema de control de actitud del LUSEX
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Diseño de la bobina de magnetorque
a
Sistema de control de actitud del LUSEX
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•Drivers de Magnetorquers: son los circuitos de potencia que harán
de interfaz entre el procesador y el actuador (bobina de magnetorque),
teniendo en cuenta que las bobinas requerirán de variabilidad del campo
generado, es decir, que deberán polarizarse en un sentido, y luego cambiar
esta polarización al sentido contrario. Debido a esta condición, hemos optado
por una salida tipo puente H como se muestra en la figura:
Con L1 designamos la bobina, los
terminales A y B se conectan al
controlador, y ambos colectores
a el terminal + de la barra de potencia.
Sistema de control de actitud del LUSEX
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Debemos tener en cuenta al momento del dimensionamiento:
•Dispersión del HFE en cada transistor: dado por las temperaturas
extremas a la que estará sometido, a tener en cuenta, por la potencia
requerida y por la corriente que se debe entregar a cada bobina para producir
el momento magnético deseado.
•Consumo de corriente : el control del satélite depende del campo
generado por la bobina, a su vez el campo magnético es linealmente
dependiente de la corriente que pasa a través de la bobina, y a su vez esta
corriente es dependiente de la temperatura en forma lineal, seria ideal poder
medir la temperatura de la bobina, para así saber el requerimiento de
corriente debido a su temperatura en ese momento, como esto es un poco
difícil de implementar, se sensara la corriente que pasa a través de ella,
intercalando un resistor en serie con la bobina, y luego medir con el
conversor A/D del microcontrolador, para tomar la acción pertinente.
Sistema de control de actitud del LUSEX
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•Desarrollo y conclusiones:
ya se han construido y ensayado
eléctricamente las bobinas con los siguientes resultados: a temperatura de 15°C
presentan una resistencia de 97 Ohms, lo cual para una tensión de alimentación de
3.7 V implica una potencia disipada de 141 mW. Esto está en el mismo orden de
magnitud de otros antecedentes.
Tratándose de tres bobinas, en el peor de los casos, a dicha temperatura las tres
bobinas consumirían 423 mW a la temperatura indicada, aunque no serán activadas
simultáneamente. Si tomamos en cuenta las temperaturas esperadas, se esperan
consumos entre 100 y 200 mW por bobina, que se pueden accionar evitando la
simultaneidad y que además su ciclo de trabajo es pequeño, planteado en un 10%
durante las maniobras , lo cual es apto para tomar acción después de la separación,
para el detumbling, cuando podría haber poca energía provista solo por la batería y
los pequeños paneles pegados a las caras del cubo.
Sistema de control de actitud del LUSEX
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Si bien el consumo de energía aparece como significativo, hay que tener en cuenta
que solo se actuará una bobina por vez y en un ciclo de trabajo pequeño, por lo que
la energía requerida por los magnetorquers para el control de actitud de la nave es
totalmente compatible con la energía que se dispone.
Fotografía de la bobina ya realizada y
testeada
LUSEX LU Satellite EXperiment
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Muchas gracias por su atención
AMSAT Argentina
Grupo LUSEX
Ing. Raúl Bon Foster ([email protected])
Ing. José Víctor Pérez Losada ([email protected])