@PhDThesis{GranzieraJr:2015:MaCoDe,
author = "Granziera Junior, Francisco",
title = "Mapeamento de conflitos na determina{\c{c}}{\~a}o e controle de
atitude e estrat{\'e}gia para sua mitiga{\c{c}}{\~a}o
considerando erros dos sensores e atuadores e requisitos de
miss{\~a}o",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2015",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2015-05-08",
keywords = "controle de atitude, erros de atitude, requisitos de miss{\~a}o,
curvas de Pareto, sensor de estrela, attitude control, attitude
errors, mission requirements, Pareto curves, star tracker.",
abstract = "Esta tese apresenta uma abordagem integrada para projetar o
estimador e o controlador de atitude de sat{\'e}lites
considerando diferentes tipos de erros presentes nos sensores e
atuadores. A principal contribui{\c{c}}{\~a}o do trabalho
est{\'a} na na abordagem multi-objetivo do problema de
determina{\c{c}}{\~a}o e controle de atitude, levando em conta
erros aleat{\'o}rios e n{\~a}o aleat{\'o}rios. Isto inclui o
reconhecimento da exist{\^e}ncia de conflitos nos objetivos e a
identifica{\c{c}}{\~a}o das condi{\c{c}}{\~o}es em que estes
se manifestam, al{\'e}m da obten{\c{c}}{\~a}o propriamente dita
dos ganhos {\'o}timos do estimador e do controlador. Ao longo do
texto {\'e} feita uma revis{\~a}o sobre malhas de
estima{\c{c}}{\~a}o e controle de atitude de sat{\'e}lites onde
s{\~a}o introduzidos os sensores de atitude com plena {\^e}nfase
aos sensores de estrela (STR) incluindo a descri{\c{c}}{\~a}o do
funcionamento dos STRs de {\'u}ltima gera{\c{c}}{\~a}o e a
descri{\c{c}}{\~a}o sobre as fontes de incertezas que levam ao
surgimento dos erros de baixa frequ{\^e}ncia (LFE) e
aleat{\'o}rios (NEA). Tamb{\'e}m {\'e} feita uma listagem deste
tipo de sensor comparando as principais caracter{\'{\i}}sticas
dos modelos dispon{\'{\i}}veis no mercado. Uma modelagem
matem{\'a}tica da jun{\c{c}}{\~a}o de dados de atitude de dois
STRs {\'e} realizada de forma a obter um equacionamento para os
erros LFE e NEA finais ap{\'o}s a fus{\~a}o. Tamb{\'e}m {\'e}
estudado o efeito de uma malha de estima{\c{c}}{\~a}o de atitude
que fa{\c{c}}a uso de gir{\^o}metros com intuito de atenuar o
ru{\'{\i}}do angular. A malha de controle com um controlador PD
{\'e} modelada levando em conta os ru{\'{\i}}dos e erros dos
elementos que a comp{\~o}em, at{\'e} se obter
equa{\c{c}}{\~o}es que relacionem estes erros aos conflitos na
escolha dos par{\^a}metros do controlador, tipicamente a
frequ{\^e}ncia natural. O problema da fus{\~a}o de atitude de
dois STRs {\'e} abordado sobre o olhar multi-objetivo. S{\~a}o
descritas quatro t{\'e}cnicas para obten{\c{c}}{\~a}o da curva
de Pareto e exploradas suas limita{\c{c}}{\~o}es e
complementaridades: o m{\'e}todo alg{\'e}brico, o m{\'e}todo
num{\'e}rico de varredura, o m{\'e}todo de
experimenta{\c{c}}{\~a}o estat{\'{\i}}stica e o m{\'e}todo
por algoritmo gen{\'e}tico. Diversos casos de fus{\~a}o de dados
de STRs s{\~a}o simulados e considerando casos t{\'{\i}}picos e
hipot{\'e}ticos com inser{\c{c}}{\~a}o ou n{\~a}o de giros na
malha de estima{\c{c}}{\~a}o. A malha de controle tamb{\'e}m
{\'e} inserida e analisada no contexto multi-objetivo. Estudos de
casos s{\~a}o realizados inspirados na configura{\c{c}}{\~a}o
b{\'a}sica da Plataforma Multi-Miss{\~a}o e variantes
explorat{\'o}rias. O problema multi-objetivo final {\'e}
formulado com tr{\^e}s fun{\c{c}}{\~o}es custo: Erro de
Apontamento, Deriva e Erro Total de Determina{\c{c}}{\~a}o de
Atitude. Como solu{\c{c}}{\~a}o para o problema multi-objetivo
aplicou-se o Crit{\'e}rio de Perda M{\'{\i}}nima com
utilizando-se de plotagens de gr{\'a}ficos de Schilling em eixos
logar{\'{\i}}tmicos. As an{\'a}lises mostraram que para casos
em que os STRs eram id{\^e}nticos posicionados ortogonalmente, o
m{\'e}todo de an{\'a}lise multi-objetivo mostrou-se pouco
relevante, mas conforme a configura{\c{c}}{\~a}o se afasta deste
caso ideal, com os sensores apresentando caracter{\'{\i}}sticas
distintas e o {\^a}ngulo entre seus eixos de visada se tornando
mais agudo, o m{\'e}todo proporciona impacto significativo na
mitiga{\c{c}}{\~a}o dos erros, principalmente do LFE. ABSTRACT:
This thesis presents an integrated approach to design the
satellite attitude estimator and the attitude controller
considering different types of errors present in the sensors and
actuators. The main contribution of this work is in the
multi-objective approach to the problem of attitude determination
and control taking into account random and non-random errors. This
includes the recognition of conflicts in goals and identifying the
conditions in which they are manifested as well as obtaining the
optimal gains of the estimator and the controller. Throughout the
text it is made a review of the satellite attitude control loop.
Attitude sensors are introduced with full emphasis on star sensors
(STR) including the operation description of STRs and a
description of the sources of uncertainty that lead to the arising
of low frequency errors (LFE) and noise equivalent errors (NEA).
It is also made a list of this type of sensor comparing the main
features of the models available on the market. A mathematical
modeling of attitude data fusion of two STRs is performed so as to
obtain a final equation for the NEA and LFE errors after fusion.
It is also studied the effect of an estimation attitude system
that makes use of gyros aiming to reducing the angular noise. The
control loop of a PD controller is modeled taking into account the
noise and errors of the elements that compose it. The aim is to
obtain equations that relate these errors to conflict in the
choice of the controller parameters such as natural frequency and
damping factor. The problem of the merger of two STRs attitude is
approached on multi-objective view. Four techniques are described
for obtaining the Pareto curve and to explore their limitations
and complementarities: the algebraic method, the numerical
scanning method, the statistical search method and a genetic
algorithm method. Several cases of STRs data fusion are simulated
and considering typical cases and hypothetical insertion with or
without twists in the loop estimation. The control loop is also
inserted and analyzed in multi-objective context. Case studies are
carried out inspired in the basic configuration of the Multi-
Mission Platform and exploratory variants. The ultimate
multi-objective problem is formulated with three cost functions:
Pointing error, Drift and Attitude Determination error. As a
solution to the multi-objective problem it is applied the Smallest
Loss Criterion with using plots of Schilling graphics on
logarithmic axes. The analysis showed that for cases where STRs
were identical orthogonally positioned, the multi-objective
analysis method proved to be of little relevance, but as the
configuration departs from this ideal case, with sensors having
different characteristics and the angle between their boresights
becoming more acute, the method provides significant impact in
mitigating the errors, especially in the LFE.",
committee = "Kuga, H{\'e}lio Koiti (presidente) and Rocco, Evandro Marconi
(orientador) and Lopes, Roberto Vieira da Fonseca (orientador) and
Zanardi, Maria Cec{\'{\i}}lia Fran{\c{c}}a de Paula Santos and
Martins Filho, Luiz de Siqueira and Fernandes, Sandro da Silva",
copyholder = "SID/SCD",
englishtitle = "Mapping conflict in attitude control and determination and
mitigation strategy considering sensors and actuators errors and
mission requirements",
language = "pt",
pages = "185",
ibi = "8JMKD3MGP3W34P/3JCJQHL",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34P/3JCJQHL",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}