Моделювання магнітного поля Землі для визначення та контролю орієнтації PolyITAN-12U
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
У статті представлено симуляційну модель, яка поєднує алгоритм прогнозування орбіти на основі рівняння Кеплера та модель World Magnetic Model, для визначення реальних характеристик магнітного поля Землі на типових для наносупутників CubeSat орбітах (висота 400-600 км, нахил 97-98°). Перевірка правильності обчислення позиції супутника, здійснена за допомогою еталонних значень від International GNSS Service, показала добову точність, достатню для дослідження системи орієнтації та стабілізації. Отримані за результатами численних симуляцій оцінки магнітного середовища лежать у межах від 51.7 мкТл до 18.3 мкТл (середнє значення 36.2 мкТл), а швидкість зміни магнітного поля, пов’язана з переміщенням супутника, не перевищує 115.4 нТл/с. На основі параметрів магнітних котушок PolyITAN-12U та його інерційних характеристик показано, що в умовах реальної орбіти вони здатні створювати обертальні моменти від 1.1×10-5 Н·м до 3.2×10-5 Н·м, забезпечуючи кутові прискорення від 2.1×10-5 рад/с2 до 6.4×10-5 рад/с2 в залежності від осі, струму котушок та локального магнітного поля. Таким чином, навіть тривала робота на номінальному струмі спричиняє доволі невеликі зміни кутової швидкості апарату, що слід врахувати під час розробки алгоритмів керування орієнтацією та енергоспоживанням. Розроблена модель та отримані числові дані будуть застосовані для побудови повноцінного hardware-in-the-loop тестування PolyITAN-12U з використанням клітки Гельмгольца, що дозволить значно покращити процес відлагодження алгоритмів керування орієнтацією супутника. Також слід зазначити, що запропоновані підходи не враховують такі ефекти як гравітаційні збурення, атмосферний опір та тиск сонячного випромінювання при розрахунку орбіти, а також зовнішні джерела магнітного поля такі як геомагнітні бурі, викликані сонячною активністю. Все це відкриває шлях для подальшого удосконалення моделі.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
A. Johnstone, “CubeSat Design Specification Rev. 14.1,” Feb. 2022, URL: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/62193b7fc9e72e0053f00910/1645820809779/CDS+REV14_1+2022-02-09.pdf.
E. Kulu, “CubeSats & Nanosatellites - 2024 Statistics, Forecast and Reliability,” in 31st IAA Symposium on Small Satellite Missions, 2024, pp. 601–614, DOI: https://doi.org/10.52202/078365-0069.
H. Shim, O.-J. Kim, M. Park, M. Choi, and C. Kee, “Development of Hardware-in-the-Loop Simulation for CubeSat Platform: Focusing on Magnetometer and Magnetorquer,” IEEE Access, vol. 11, pp. 73164–73179, 2023, DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3294565.
M. K. Quadrino, “Testing the Attitude Determination and Control of a CubeSat with Hardware-in-the-Loop,” Massachusetts Institute of Technology, 2014, URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/91382.
F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York, NY: Springer New York, 2014, ISBN: 978-1-4939-0801-1. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8_1
“World Geodetic System 1984,” Sep. 1991, URL: https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA280358.pdf.
J. Stryjewski, “Coordinate Transformations,” URL: https://x-lumin.com/wp-content/uploads/2020/09/Coordinate_Transforms.pdf.
Charles. Brown and W. Software. C Brown, Elements of Spacecraft Design. AIAA (American Institute of Aeronautics & Astronautics), 2004. ISBN: 978-1563475245
Roger. Bate, D. D. Mueller, and J. E. White, Fundamentals of astrodynamics. Dover Publications, Inc., 1971.
P. Cefola, D. A. Vallado, and P. J. Cefola, “Two-line element sets-Practice and use,” In 63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy, International Astronautical Federation, 2012.
M. Palacios, “Kepler equation and accelerated Newton method,” J Comput Appl Math, vol. 138, no. 2, pp. 335–346, Jan. 2002, DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(01)00369-7.
A. Porras-Hermoso, J. Cubas, and S. Pindado, “On the satellite attitude determination using simple environmental models and sensor data,” J Phys Conf Ser, vol. 2090, no. 1, p. 012116, Nov. 2021, DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2090/1/012116.
“Comparison of Orbit Propagators,” MATLAB Documentation. [Online]. Available: https://www.mathworks.com/help/aerotbx/ug/comparison-of-orbit-propagators.html.
M. Navabi and M. Barati, “Mathematical modeling and simulation of the earth’s magnetic field: A comparative study of the models on the spacecraft attitude control application,” Appl Math Model, vol. 46, pp. 365–381, Jun. 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apm.2017.01.040.
Chulliat et al., “The US/UK World Magnetic Model for 2025-2030: Technical Report,” 2025, DOI: https://doi.org/10.25923/prbc-s316.
P. Alken et al., “International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation,” Earth, Planets and Space, vol. 73, no. 1, p. 49, Dec. 2021, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x.
J.-F. Oehler, D. Rouxel, and M.-F. Lequentrec-Lalancette, “Comparison of global geomagnetic field models and evaluation using marine datasets in the north-eastern Atlantic Ocean and western Mediterranean Sea,” Earth, Planets and Space, vol. 70, no. 1, p. 99, Dec. 2018, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-018-0872-y.
D. Cilden-Guler, Z. Kaymaz, and C. Hajiyev, “Geomagnetic disturbance effects on satellite attitude estimation,” Acta Astronaut, vol. 180, pp. 701–712, Mar. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.12.044.
J. Kouba, “A guide to using International GPS Service (IGS) products,” Ottawa, Sep. 2015, URL: https://files.igs.org/pub/resource/pubs/UsingIGSProductsVer21_cor.pdf.
A. El Fatimi, A. Addaim, and Z. Guennoun, “Study and design of an active magnetorquer actuator model for nanosatellites,” E3S Web of Conferences, vol. 351, p. 01051, May 2022, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202235101051.
S. B. Örs, “Developing an Attitude Determination and Control System for 1U CubeSat,” Jun. 2024, DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.35088.42240.
