توسعه روش کالیبراسیون ژایروسکوپ مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین وضعیت دقیق

لبیبیان, امیر

doi:10.22034/jsst.2024.1457

نوع مقاله : مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسنده

امیر لبیبیان

استادیار، پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

https://doi.org/10.22034/jsst.2024.1457

چکیده

در ماهواره‌های سنجشی با تفکیک مکانی بالا، حفظ الزامات پایداری و نشانه روی برای موفقیت ماموریت حیاتی است. بدین جهت، معمولاً از ژایروسکوپ‌های بسیار دقیق به عنوان یکی از سنسورهای اصلی تعیین وضعیت استفاده می‌شود. در این راستا، به منظور جلوگیری از کاهش دقت تخمین وضعیت داده‌های ژایروسکوپ باید در فواصل زمانی مناسبی کالیبره شوند. در این پژوهش، رویکرد مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت کالیبراسیون ژایروسکوپ مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین، نخست، مدلی که در بردارنده پارامترهای اصلی ژایرو شامل بایاس‌ها، ضرایب مقیاس و عدم همراستایی‌هاست معرفی می‌شود. در ادامه، الگوریتمی مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین پارامترهای ژایرو ارائه می‌شود. سپس، از یک فیلتر کالمن توسعه یافته مبتنی بر کواترنیون ضربی به همراه داده‌های سنسور ستاره جهت تخمین وضعیت بهره گرفته می‌شود. در انتها برای ارزیابی عملکرد کالیبراسیون در حلقه کنترل وضعیت، کنترل‌کننده‌ای مبتنی بر بازخورد کواترنیون طراحی و بکار گرفته شده است. نتایج بدست آمده از حلقه کنترل وضعیت، دقت پایداری 0.005 درجه بر ثانیه و دقت نشانه روی 0.15 درجه را نشان می‌دهد که بیانگر کارایی روش ارائه شده در ماموریتهایی با الزامات کنترلی سختگیرانه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

طراحی زیرمجموعه‌های فضایی: (هدایت، کنترل، سازه و...)

عنوان مقاله [English]

Development of an EKF Based Gyro Calibration Method for High-Precision Attitude Estimation

نویسنده [English]

Amir Labibian

Assistant Professor, Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

چکیده [English]

IIn high resolution remote sensing satellites, meeting stability and pointing requirements are very crucial in mission’s success. In this regard, usually, very accurate gyroscopes are utilized as one of the main attitude sensors. In order to avoid decreasing attitude estimation accuracies, gyroscopes data should be calibrated in appropriate time intervals. In this research an Extended Kalman Filter (EKF) based approach is investigated for gyro calibration. Therefore, at first, a model which contains main gyro parameters, namely, biases, scale factors and misalignments is proposed. Then, an EKF based algorithm for gyro parameters estimation is presented. Next, a Multiplicative Quaternion Extended Kalman Filter (MQEKF) which uses star sensor data as measurement is applied for attitude estimation. Finally, in order to evaluate the performance of the proposed gyro calibration method in attitude control loop, a quaternion feedback controller is implemented. The simulation results show that satellite’s stability and pointing are maintained with accuracies better than 0.005 deg/second and 0.15 deg which demonstrate the proposed method will be beneficial for missions with tight control requirements.

کلیدواژه‌ها [English]

Gyro Calibration
EKF
High-Precision Attitude Estimation
Quaternion Feedback
Remote Sensing Satellites

مراجع

[1] L. Farian, P. Häfliger and J. A. Leñero-Bardallo, "A Miniaturized Two-Axis Ultra Low Latency and Low-Power Sun Sensor for Attitude Determination of Micro Space Probes," IEEE Transactions on Circuits and Systems I Regular Papers, vol. 65, no. 5, pp. 1543 - 1554, 2017.doi: 10.1109/TCSI.2017.2763990

[2] J. D. Searcy and H. J. Pernicka, "Magnetometer-Only Attitude Determination Using Novel Two-Step Kalman Filter Approach," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 35, no. 6, pp. 1693-1701, 2012, doi: https://doi.org/10.2514/1.57344

[3] R. Opromolla, G. Fasano, G. Rufino, M. Grassi, C. Pernechele and C. Dionisio, "A new star tracker concept for satellite attitude determination based on a multi-purpose panoramic camera," Acta Astronautica, vol. 140, pp. 166-175, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.08.020 .

[4] B. Hou, Z. He, H. Zhou and J. Wang, "Integrated Design and Accuracy Analysis of Star Sensor and Gyro on the Same Benchmark for Satellite Attitude Determination System," IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 6, no. 4, pp. 1074 - 1080, 2019, doi: 10.1109/JAS.2019.1911600 .

[5] S. Fujita, Y. Sato, T. Kuwahara, Y. Sakamoto and K. Yoshida, "Attitude Maneuvering Sequence Design of High-Precision Ground Target Tracking Control for Multispectral Earth Observations," in 2019 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), pp. 153-158, 2019, doi: 10.1109/SII.2019.8700434 .

[6] S. Ikari, and et al, "Attitude Determination and Control System for the PROCYON Micro-Spacecraft," Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 60, no. 3, pp. 181-191, 2017.,doi: https://doi.org/10.2322/tjsass.60.181 .

[7] H. Gui and A. Ruiter, "Quaternion Invariant Extended Kalman Filtering for Spacecraft Attitude Estimation," Journal of Guidance Control and Dynamics, vol. 41, no. 4, pp. 1-16, 2018, doi: https://doi.org/10.2514/1.G003177

[8] . M. D. Pham, K. S. Low, S. T. Goh, and S. Chen, "Gain-scheduled extended kalman filter for nanosatellite attitude determination system," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 51, no. 2, pp. 1017-1028, 2015, doi: 10.1109/TAES.2014.130204 .

[9] Y. Xing, S. Zhang, J. Zhang and X. Cao, "Robust-Extended Kalman Filter for Small Satellite Attitude Estimation in the Presence of Measurement Uncertainties and Faults," Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 226, no. 1, pp. 30-41, 2011, doi: https://doi.org/10.1177/0954410011407422 .

[10] F. Qin, L. Chang, S. Jiang and F. Zha, "A Sequential Multiplicative Extended Kalman Filter for Attitude Estimation Using Vector Observations," Sensors, vol. 18, no. 5, pp. 1-10, 2018, doi: https://doi.org/10.3390/s18051414 .

[11] R. Burton, S. Rock, J. Springmann and J. Cutler, "Online Attitude Determination of a Passively Magnetically Stabilized Spacecraft," Acta Astronautica, vol. 133, p. 269–281, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.024.

[12] L. Cao, W. Yang, H. Li, Z. Zhang and J. Shi, "Robust double gain unscented Kalman filter for small satellite attitude estimation," Advances in Space Research, vol. 60, no. 3, pp. 499-512, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.03.014 .

[13] R. Zanetti and K. J. DeMars, "Fully Multiplicative Unscented Kalman Filter for Attitude Estimation," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 41, no. 5, pp. 1183-1189, 2018, doi: https://doi.org/10.2514/1.G003221 .

[14] D. Lee, G. Vukovich and R. Lee, "Robust Unscented Kalman Filter for Nanosat Attitude Estimation," International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 15, p. 2161–2173, 2017, doi https://doi.org/10.1007/s12555-016-0498-4 : .

[15] Z. Qiu and H. Qian, "Adaptive genetic particle filter and its application to attitude estimation system," Digital Signal Processing, vol. 81, pp. 163-172, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.dsp.2018.06.015

[16]R. V. Garcia, W. R. Silva, P. C. Pardal, H. K. Kuga and M. C. Zanardi, "Sequential nonlinear estimation: regularized particle filter applied to the attitude estimation problem with real data," Computational and Applied Mathematics , vol. 37, p. 110–121, 2018, doi: https://doi.org/10.1007/s40314-017-0511-4

[17]M. E. Pittelkau, "Kalman filtering for spacecraft system alignment calibration," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 24, no. 6, pp. 1187-1195, 2001, doi: https://doi.org/10.2514/2.4834 .

[18]R. Pandiyan, A. Solaiappan and N. Malik, "A One Step Batch Filter for Estimating Gyroscope Calibration Parameters Using Star Vectors," in AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit, p. 4858, 2004, doi: https://doi.org/10.2514/6.2004-4858.

[19]F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control, New York: Springer, 2014, doi:

https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8 .

[20] J. L. Crassidis and J. L. Junkins, Optimal Estimation of Dynamic Systems, Boca Raton: CRC Press, 2012.

[21] B. Wie, Space Vehicle Dynamics and Control, Reston, AIAA, Inc., 2008, doi: https://doi.org/10.2514/4.860119

[22] B. Wie and P. M. Barba, "Quaternion Feedback for Spacecraft Large Angle Maneuvers", Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 8, no. 3, pp. 360-365, 1985, doi: https://doi.org/10.2514/3.19988

[23] B. Wie, H. Weiss and A. Arapostathis, "Quaternion Feedback Regulator for Spacecraft Eigenaxis Rotation," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 12, no. 3, pp. 375-380, 1989, doi: https://doi.org/10.2514/3.20418

علوم و فناوری فضایی

توسعه روش کالیبراسیون ژایروسکوپ مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین وضعیت دقیق

مراجع

مراجع

دوره 17، شماره 1 - شماره پیاپی 60
فروردین 1403
صفحه 11-20

توسعه روش کالیبراسیون ژایروسکوپ مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه یافته جهت تخمین وضعیت دقیق

مراجع

مراجع

دوره 17، شماره 1 - شماره پیاپی 60فروردین 1403صفحه 11-20

دوره 17، شماره 1 - شماره پیاپی 60
فروردین 1403
صفحه 11-20