تخمين وضعيت تجربي با استفاده از داده‌هاي بلادرنگ كاليبره شده مغناطيس‌سنج

Experimental Attitude Estimation Using Real-time Magnetometer Calibrated Data

مغناطيس‌سنج يكي ازسنسورهاي اصلي در زيرسيستم تعيين و كنترل وضعيت (ADCS) ماهواره‌هاي مدار پايين زمين (LEO) است و با توجه به قابليت استفاده در تمام زمان‌هاي يك تناوب مداري در اكثر مودهاي عملكردي مانند چرخش زدايي، نشانه روي زمين و انتقال مداري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. لذا دقت داده‌هاي مغناطيس‌سنج و كاليبراسيون آن داراي اهميتي اساسي در موفقيت ماموريت است. در اين مقاله با توجه به اهميت استفاده از رويكردهاي بلادرنگ (Real-time) در كاربردهاي عملي، كاليبراسيون مغناطيس‌سنج با استفاده از فيلتر كالمن توسعه يافته (EKF) مد نظر قرار گرفته است. در ادامه، جهت بررسي نقش كاليبراسيون مغناطيس‌سنج در نتايج تخمين وضعيت، داده‌هاي كاليبره شده در ساختار يك فيلتر كالمن توسعه يافته مبتني بر كواترنيون ضربي (MQEKF) مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در انتها از يك بستر سخت افزار در حلقه (HIL) كه مجهز به يك سيم پيچ هلمهولتز و يك ميز سه درجه آزادي است بهره گرفته مي‌شود تا عملكرد مجموعه الگوريتم‌هاي توسعه داده شده بصورت تجربي مورد ارزيابي قرار گيرد. در فرايند كاليبراسيون مقادير پارامترهاي مغناطيس‌سنج تخمين زده شده و در فيلتر تخمين وضعيت بكار گرفته مي‌شوند. نتايج نشان مي‌دهند كه خطاي وضعيت بتدريج كم شده و دقت نهايي افزايش مي‌يابد.

Magnetometer is one of the main sensors in Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS) of Low Earth Orbit (LEO) satellites and since it is operable in all times during an orbital period, it can be utilized in almost all functional modes like detumbling, nadir pointing and orbit transfer. Therefore, the accuracy of magnetometer data and its calibration is essential in the success of the missions. In this paper, regarding to the importance of real-time approaches in practical applications, an Extended Kalman Filter (EKF) is used for magnetometer calibration. Then, in order to study the role of magnetometer calibration in attitude estimation (AE) results, calibrated data is employed in the structure of a Multiplicative Quaternion EKF (MQEKF). Finally, a Hardware in the Loop (HIL) test bed equipped with a three axis Helmholtz coil and a three degree of freedom platform is utilized to measure the performance of developed algorithms experimentally. In the calibration process, magnetometer parameters are estimated and used in the AE filter. The results show that the attitude error gradually decreases and the final accuracy increases.