Nowadays, the agile maneuver for the earth observation mission satellite is required from clients caused by the market’s demand such as multi-target performance for military strategy or disaster monitor and so on. In a small satellite system, the reaction wheel or momentum wheel have been mainly implemented to control and stabilize three-axis with a magnetorquer for preventing speed saturation. However, due to the characteristics of these actuators that generate a torque by wheel speed change, they cannot provide enough large amount of torque to rotate a small satellite with 3-4 deg/sec slew rate. In conclusion, the actuator such as CMG shall be implemented for a small satellite agile maneuver.
In this paper, the CMG steering algorithms combined with a thruster is introduced in order to escape from the singularity problem which is the most critical issue in on-line CMG control algorithms. Moreover, simulation studies for the satellite attitude hold and multi-targe imaging mode is performed to prove the availability and advantage of the newly introduced algorithms in this paper over the existing steering laws.
본 논문에서는 Control Moment Gyroscope (CMG)와 추력기를 이용한 소형위성의 자세 제어에 관한 연구를 수행하였다. CMG 의 경우 소형위성에서 흔히 탑재되는 reaction wheel 과는 달리 wheel 을 지지하고 있는 gimbal을 회전 시킴으로 작은 사이즈의 wheel 로도 큰 토크를 발생시킬 수 있는 actuator 이다. 따라서 최근 들어 지구 관측 소형 위성 시장에서 요구되는 multi-target imaging 이나 stereo imaging 등의 agile maneuver mission 을 성공적으로 수행할 수 있다. 하지만, CMG system 을 도입하는 데는 한 가지 중요한 문제점이 있는데 그것은 CMG system 으로부터 토크를 발생시키기 위해 필요한 gimbal rate command 를 유도하는 데 있어서 때때로 발생하는 singularity problem 이다. 이는 기존에 연구되었던 Moore-Penrose (MP) pseudo inverse, Singularity Robust(SR) inverse, Generalized Singularity Robust(GSR) inverse steering law 이용할 경우 모든 singularity type 에 대한 극복이 보장되지는 않았다. 따라서 지상국에서 중요 mission 수행 시 singularity problem 을 겪지 않게 CMG steering 에 대한 시나리오를 미리 생성하여 위성으로 업로드하는 pre-planned 방식이 널리 이용되고 있다. 그러나 이와 같은 pre-planned 방식의 경우 지상 국에서 지속적으로 CMG steering 과 관련된 시나리오를 만들어야 하는 불편함이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 불편함을 없애면서 모든 종류의 singularity problem 에 대해 robust 한 CMG 와 thruster가 혼합된 algorithm 다음과 같이 소개하였다.
첫째로, subsitutive CMG and thruster algorithm 의 경우 singularity measure 값이 정해진 threshold 값 보다 작게 될 경우에 CMG 의 기동을 멈추고 추력기를 이용하여 desired command 는 실현하는 방법이고, 두 번째로 gimbal rate error 와 torque error 를 최소화 하는 minimum two solution 을 통해 유도된 gimbal rate 값과 thruster command 값을 통해 desired command 를 실현하는 방법이다. 마지막으로 combined CMG and thruster algorithm 에 대한 추력기의 연료를 최소화 하는 algorithm 을 소개하였다.
Gimbal rate, torque error, applied thrust size 를 최소화하는 minimum norm solution 에서 유도된 gimbal rate command 값과 thruster command 값은 지상국의 도움과 singularity problem 에 대한 걱정 없이 on-line commanding 방식을 통해 소형 위성이 여러 종류의 agile maneuver 를 성공적으로 수행 할 수 있다는 것을 simulation study 를 통해서 검증하였다.