International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.2
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pp.300-314
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2017
This paper examines finite rotation angle (FRA) applications for spacecraft attitude control. The coordinate transformation matrix and the attitude kinematics represented by FRAs are introduced. The interpolation techniques for the angular orientations are thoroughly investigated using the FRAs and the results are compared to those using traditional methods. The paper proposes trajectory description techniques by using extremely smooth polynomial functions of time, which can describe point-to-point attitude maneuvers in a realizable and accurate manner with the help of unique FRA features. In addition, new controller design techniques using the FRAs are developed by combining the proposed interpolation techniques with a model predictive control framework. The proposed techniques are validated through their attitude control applications for an aggressive point-to-point maneuver. Conclusively, the FRAs provide much more flexibility than quaternions and Euler angles when describing kinematics, generating trajectories, and designing attitude controllers for spacecraft.
This paper presents the time optimal reorientation solution of three-axis spacecraft which has only three magnetic torquers. It has been very difficult problem because the magnetic torquer generates only perpendicular to Earth magnetic field vector. In this paper, minimum-time solution using only magnetic torquer is solved using collocation method and nonlinear programming solver NPSOL. IGRF Earth magnetic field model used to simulate magnetic field. The result is verified by comparing to the result of numerical integration. The solution is obtained for the various reorientation maneuver of three axes rigid spacecraft. And the results show that all three axes of rigid spacecraft are controlled effectively only by magnetic torqure.
A constraint equation-based control law design for large angle attitude maneuvers of flexible spacecraft is addressed in this paper The tip displacement of the flexible spacecraft model is prescribed in the form of a constraint equation. The controller design is attempted in the way that the constraint equation is satisfied throughout the maneuver. The constraint equation leads to a two-point boundary value problem which needs backward and forward solution techniques to satisfy terminal constraints. An observer-based tracking control law takes the constraint equation as the input to the dynamic observer. The observer state is used in conjunction with the state feedback control law to have the actual system follow the observer dynamics. The observer-based tracking control law eventually turns into a stabilized system with inherent nature of robustness and disturbance rejection in LQR type control laws.
Heaters for the spacecraft propulsion system are sized to prevent propellant from catastrophic freezing. For this purpose, thermal mathematical model (TMM) of the propulsion system is developed. Calculation output is compared with the results obtained from thermal vacuum test in order to check the validity of TMM. Despite a little discrepancy between the two types of results, both of them are qualitatively compatible. It is concluded that the propulsion system heaters are correctly sized and TMM can be used as a thermal design tool for the spacecraft propulsion system.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.9
no.1
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pp.147-161
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2008
In this paper, fine attitude estimation using low-cost sensors for attitude pointing missions of spacecraft is addressed. Attitude kinematics and gyro models including bias models are in general utilized to estimate spacecraft attitude and angular rate. However, a linearized model and a transition matrix are derived in this paper from nonlinear spacecraft dynamics with external disturbances. A Kalman filtering technique is applied and offers relatively high estimation accuracy under dynamic uncertainties. The proposed approach is demonstrated using numerical simulations.
Current Industrial and Technological Trends in Aerospace
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v.6
no.2
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pp.69-79
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2008
As the cost of the operational spacecraft simulator is a large portion of the spacecraft cost and its requirements increase, it is given the pressures to reduce the cost and the development period. For that reason, the space industry with the coordination of ESA has made a study of the reuse in a wide scope across space projects. Its scope includes not only simulation software itself but also software requirements, design, work experience and developing process/methodology. The standard for simulator model portability and the efficiency enhancement of the development process as a result have been successfully applied to several projects. This paper describes the recent trend of the spacecraft simulator in Europe and the present status of its the study and the development.
This paper presents a global mode modeling of space structures and a control scheme from the practical point of view. Since the size of the satellite has become bigger and the accuracy of attitude control more strictly required, it is necessary to consider the structural flexibility of the spacecraft. Although it is well known that the finite element (FE) model can accurately model the flexibility of the satellite, there are associated problems : FE model has the system matrix with high order and does not provide any physical insights, and is available only after all structural features have been decided. Therefore, it is almost impossible to design attitude and orbit controller using FE model unless the structural features are in place. In order to deal with this problem, the control design scheme with the global mode (GM) model is suggested. This paper describes a flexible structure modeling and three-axis controller design process and demonstrates the adequate performance of the design with respect to the maneuverability by applying it to a large flexible spacecraft model.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.4
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pp.106-113
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2002
In spacecraft system, structure subsystem has the mission of supporting all the components safely under various space environmental conditions. The safety of spacecraft structure is finally verified from the coupled load analysis, which is a branch of load analysis which combines the launch vehicle and satellite. This study introduces the optimization algorithm to reduce the weight of spacecraft structure under launch environmental conditions directly. The acceleration responses are obtained by the introduction of coupled load analysis, which lead to check the failure of spacecraft structural members. The results show a 12% saving of structural weight and this saving is mainly driven by the thickness of honeycomb core, which strongly affects the natural frequencies of platforms and panels.
The attitude motion of a spin-stabilized, upper-stage spacecraft is investigated based on a two-body model, consisting of a symmetric body, representing the spacecraft, and a spherical pendulum, representing the liquid slag pool entrapped in the aft section of the rocket motor. Exact time-varying nonlinear equations are derived and used to eliminate the drawbacks of conventional linear models. To study the stability of the spacecraft's attitude motion, both the spacecraft and pendulum are assumed to be in states of steady spin about the symmetry axis of the spacecraft and the coupled time-varying nonlinear equation of the pendulum is simplified. A quasi-stationary solution to that equation and approximate resonance conditions are determined in terms of the system parameters. The analysis shows that the pendulum is subject to a combination of parametric and external-type excitation by the main body and that energy from the excited pendulum is fed into the main body to develop the coning instability. In this paper, numerical examples are presented to explain the mechanism of the coning angle growth and how angular momenta and disturbance moments are generated.
A spacecraft attitude control ground hardware simulator development is discussed in the paper. The simulator is called KT/KARI HILSSAT(Hardware-In-the Loop Simulator Single Axis Testbed), and the main structure consists of a single axis bearing and a satellite main body model on the bearing. The single axis tabel as ans experimental hardware simulator that evaluates performance and applicability of a satellite before evolving and/or confirming a mew or and old control logic used in the KOREASAT is developed. Attitude control of spaceraft by using reaction wheel is performed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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