طراحي رويت گر و كنترل‌گر غيرخطي تحت شبكه براي سيستم كنترل وضعيت ماهواره مدار پايين زمين

Nonlinear Observer and Controller Design for Low Earth Orbit Satellite Attitude Control System over Network

در اين مقاله، فيلتر كالمن توسعه يافته و كنترل‌گر غيرخطي وابسته به مدل تحت شبكه با استفاده از اصل جداسازي براي زيرسيستم تعيين و كنترل وضعيت ماهواره مدار پايين زمين طراحي شده است. در اين راستا، با توجه به روند توسعه ماهواره ها، معماري زيرسيستم تعيين و كنترل وضعيت براي كلاس وسيعي از ماهواره هاي مدار پايين زمين جهت پايدارسازي و حصول اهداف ماموريتي همچون تعيين وضعيت و نشانه روي دقيق پيشنهاد شده است. اين معماري، به‌صورت سيستم كنترلي تحت شبكه جهت برقراري اتصال و ارتباط بين اجزاي كنترلي شامل حس‌گرها، عمل‌گرها و واحد پردازنده و همچنين به‌اشتراك گذاشتن داده با ساير زيرسيستم‌ها در نظر گرفته شده است. سپس، با مدل‌سازي تمامي اجزاي سيستم و لحاظ نمودن اثرات شبكه به‌صورت اغتشاش كران‌دار، سيستم كنترل براي جبران آن‌ها طراحي شده است. بدين‌منظور، الگوريتم‌هاي تخمين و كنترل وضعيت شامل فيلتر كالمن توسعه يافته و كنترل‌گر غيرخطي وابسته به مدل به‌گونه اي طراحي شده اند تا ضمن دستيابي به عملكرد مطلوب سيستم، پايداري هر يك از آن‌ها تضمين گردد. در ادامه، مدل غيرخطي ديناميك ماهواره بر حسب پارامترهاي كواترنيون و سرعت‌هاي زاويه اي ارايه شده و با بيان قضيه اصل جداسازي براي طراحي رويت گر و كنترل‌گر، شرايط هم‌گرايي و پايداري نمايي آن‌ها براساس مدل خطي شده ماهواره استخراج شده است. اثبات قضيه نشان مي دهد كه سيستم حلقه بسته به‌طور پيوسته وضعيت ماهواره را در محدوده دقت تعيين شده حفظ مي نمايد. در نهايت، نتايج شبيه سازي حاصل از اعمال رويت گر و كنترل‌گر طراحي شده بر روي يك ماهواره فعال در مدار، كارآيي طراحي صورت گرفته را به خوبي نشان مي‌دهد.

In this paper, an Extended Kalman Filter (EKF) and a model-dependent nonlinear controller over network using the separation principle for Low Earth Orbit (LEO) satellite Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS) have been designed. In this context, according to the satellites development trend, ADCS architecture for a broad class of LEO satellites is proposed to stabilize and achieve mission objectives such as precision attitude determination and pointing. This architecture is a Networked Control System (NCS) used to establish connection and communication among control components including sensors, actuators and onboard processors, as well as to share data with other subsystems. Then, by modeling all components of the system, and considering the network effects as a bounded disturbance, the control system is designed to compensate of these effects. For this purpose, estimation and control algorithms including EKF and a model-dependent nonlinear controller are designed such that, in addition to achieving desired system performance, the stability of each of them is guaranteed. Afterwards, the nonlinear dynamics model of the satellite in terms of quaternion parameters and angular velocities is presented, and by expression of the separation principle for observer and controller design, their convergence and exponential stability conditions based on linearized model of satellite are derived. Proof of theorem shows that the closed-loop system continuously maintained satellite attitude in the specified accuracy range. Finally, simulation results obtained from applying the designed observer and controller on the active satellite in orbit demonstrates the efficiency of the proposed design.