موقعيت يابي و تعيين وضعيت همزمان ماهواره با استفاده از حسگر ردياب ستاره اي و الگوريتم هاي تلفيق مبتني بر ديناميك ماهواره

Simultaneous Attitude and Orbit Determination Using Sensor Fusion Algorithm Based on the Dynamic of Satellite and Star Tracker

در اين مقاله، امكان تعيين همزمان موقعيت و وضعيت ماهواره به كمك حسگر ردياب ستاره بررسي شده است. در ابتدا معادلات 6 درجه آزادي حركت ماهواره به كمك قوانين نيوتن و اويلر استخراج و با درنظرگرفتن نيروي جاذبه زمين و گشتاور گراديان جاذبه، حركت ماهواره در مدار زمين شبيه-سازي شده است. سپس با استفاده از كاتالوگ ستارگان و مسير حركت، خروجي حس گر توليد مي شود. در اين پژوهش از فيلتر UKF استفاده مي-شود. در هر گام با كمك معادلات حاكم، متغيرهاي حالت در گام قبل و خروجي حس گر، سرعت زاويه اي ماهواره نسبت به دستگاه اينرسي و جهت-گيري دستگاه بدنه نسبت به ناوبري تخمين زده شده و به عنوان ورودي فيلتر در گام جديد مورد استفاده قرار مي گيرند. با توجه به شبيه سازي ها، تقريباً پس از يك گردش ماهواره حول زمين، فيلتر همگرا شده و نسبت خطاي فيلتر به خطاي حل ديناميك براي زواياي رول و ياو در حد 2 درصد و براي زاويه پيچ و سرعت هاي زاويه اي در حدود 33 درصد مي باشد. براي كاهش خطاي تخمين متغيرهاي حالت مرتبط با سرعت و موقعيت، نياز به زمان بيش تري بوده و در پايان سيكل ششم، عملكرد فيلتر در تخمين اين پارامترها به طور متوسط 40 درصد بهتر مي باشد.

In this paper, simultaneously attitude and orbit determination of satellites using only star tracker measurement is investigated. At first, the 6 D.O.F. governing equation of the system considering the gravity force and gravity gradient torque is obtained using the Newton-Euler equations. Next using a simplified star catalog, star tracker output in the desired orbit is calculated. To estimate variables of the attitude-orbital equations, an estimation algorithm based on the UKF is proposed. In each step using the governing equation, estimated parameter and star tracker output, satellite angular velocity and orientation of body against NED frame are estimated and these calculated parameters are used as input for the next step. According to Results after about one revolution of orbit, the estimation is converging and the ratio of filter’s solution error to dynamic’s solution error for the roll and yaw angles is about 2 percent and for the pitch angle and angular velocities are about 33 percent. In order to reduce position and linear velocity errors, the filter needs more time and at the end of 6 cycles, the performance shows 40 percent improvement in average.