Since few decades, Nano-satellites weighing 1 to 10 kilograms have been of prime focus for developing and encouraging the importance of miniature satellites as the future of space missions. But due to several application and sub-system based concerns, these satellites have not being utilized to the best of their capabilities in space. Attitude Determination System is one among the most critical sub-systems of Nano-satellites due to sensitivity and reliability issues relating to its components. These concerns require a well-defined study of dynamics with practical realization of minimum inaccuracy in space flight components. Hence, an intensive research on this aspect is desirable with maximum emphasis inclined towards appropriate utilization of MEMS based sensors. It is due to their dominance in cost effectiveness, negligible weight and size with considerably accurate data processing under synchronization with appropriate balance of efficient algorithms and well-designed configurations. This forms the basis and main objective of this research to develop an optimal attitude determination system with reasonably economical set-ups to achieve least possible attitude error under near space environment through significant power distribution and its reduced consumption.
For this to be attained, a detailed research is strategized and implemented with comprehensive study on the re-cent trends of Nano-satellites. The software based dynamic modeling with several configurations under MEMS specifications were simulated with well-defined algorithms mostly with EKF, UKF, TRIAD and QUEST respectively. The main sensors under consideration were 3-axis MEMS Gyroscopes, 3-axis MEMS Magnetometer, 2-axis Analogue MEMS Sun sensors and sometimes 3-axis accelerometers. These algorithms were further improved to stabilize power consumption of sensors and their ability for producing continuously well-proportioned attitude determination under sensor fusion. The importance of orbit propagation with perturbations is also highly accentuated through in-line implementation with magnetic sensing.
The experimentation is carried out for characterization of each sensor followed by an in-line and sensor fusion implementations with traditional and improved algorithms with appropriate sensor selection. Significant accuracies were attained through each algorithm with a complete optimal attitude determination system in operation was achieved. In conclusion, a detailed critical analysis is done highlighting the critical parameters to be considered for effective attitude determination through MEMS sensors. The several applications, contributions and benefits of the proposed system have been profoundly emphasized for real-time implementation and further advancement of Nano-satellites.
지난 수십년에 걸쳐 1~10킬로그램 중량의 나노(Nano) 위성은 미래 우주기술(임무)에 있어서 소형 위성의 중요성으로 인해 기술의 발달과 함께 그 중요성이 부각되어 왔다. 그러나 이러한 위성들은 낮은 적용 범위와 서브시스템의 한계로 인해 소형 위성으로서의 임무수행에 현재까지 충분히 실용화되지 못한 실정이다. 인공위성 자세 결정시스템은 그 구성품들과 연계되는 민감도와 신뢰도 문제로 인하여 나노위성에 있어서 가장 중요한 서브시스템중의 하나이다. 이러한 문제들은 우주비행체 구성품에 있어서 최소한의 오차를 가지도록 설계해야 하기 때문에 보다 체계화된 연구와 사전 설계가 필요하다. 따라서, MEMS 기반 센서들의 적합한 활용을 위해서 이 문제에 대한 집중적인 연구가 요구된다. 효율적인 알고리즘과 잘 설계된 시스템 간에 균형과 조화를 통해서 비용효율성, 초소형 및 경량성, 신뢰성 달성을 통한 정밀한 데이터 처리가 가능하다. 따라서 최소한의 오차와 경제적인 비용으로 최적화된 전력 소비율로 우주환경에 적합한 최적의 자세 결정 시스템을 설계 및 시험하는 것이 본 연구의 주요 연구 목적이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 나노위성의 최근 동향에 대한 명확한 이해가 필요하고, 이를 기반으로관련 상세연구가 설계되고 수행되었다. 먼저 소프트웨어에 기반한 동역학 모델링으로 MEMS 사양을 적용한 몇가지 형상을 구현하고 이를 EKF, UKF, TRIAD 및 QUEST와 같은 자세결정 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 연구에서 고려된 주요 센서들은 3축 MEMS 자이로스코프, 3축 MEMS 마그네토미터, 2축 아날로그 MEMS Sun 센서들과 3축 가속도계 센서들이다. 이러한 알고리즘은 센서들에 안정화된 소모 전력 성능과, 센서들간에 완벽한 조합을 통해서 자세 결정을 지속적으로 유지시키는 성능을 가져왔다. 자세 결정 시스템 구현일 위한 궤도 교란의 전파에 대한 중요성은 마그네틱 센싱과 함께 in-line 센서 조합을 통해서 또한 매우 강조된다.
실험 또한 적합한 센서의 선택과 함께, 기존의 알고리즘과 향상된 알고리즘으로 각각 in-line 센서와 센서 조합을 통한 실험을 수행한 후 시뮬레이션 결과를 통한 각 센서들의 특성을 분석하였다. 이와 같은 일련의 시도를 통해 보다 완벽한 최적의 자세 결정 시스템으로 각 알고리즘에 대한 매우 높은 정확도를 획득하였다. 결론적으로, MEMS 센서들을 통해서 효과적인 자세 결정을 위한 중요한 파라미터들에 대한 상세해석을 통해 주목할 만한 성과를 달성하였다. 제안된 시스템에 있어서 이러한 몇가지 적용과 기여 및 장점들은 실질적인 성과와 함께 미래의 나노위성의 진보(발전)에 중요한 영향력을 끼칠 것으로 기대된다.
