@Book{Romero:2020:AtDyCo,
author = "Romero, Alessandro Gerlinger",
title = "Satellite simulation developer's guide - attitude dynamics and
control of nonlinear satellite simulations",
publisher = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais",
year = "2020",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
keywords = "satellite simulation, attitude dynamics, control of nonlinear
satellite simulations.",
abstract = "The satellite attitude and orbit control subsystem (AOCS), that
one in charge of the attitude control, can be designed with
success by linear control theory if the satellite has slow angular
motions and small attitude maneuver. However, for large and fast
maneuvers, the linearized models are not able to represent all the
perturbations due to the effects of the nonlinear terms present in
the dynamics and in the actuators (e.g., saturation) which can
damage the systems performance. Therefore, in such cases, it is
expected that nonlinear control techniques yield better
performance than the linear control techniques, improving the AOCS
pointing accuracy without requiring a new set of sensors and
actuators. One candidate technique for the design of AOCS control
law under a large and fast maneuver is the State-Dependent Riccati
Equation (SDRE). SDRE provides an effective algorithm for
synthesizing nonlinear feedback control by allowing nonlinearities
in the system states while offering great design flexibility
through state-dependent weighting matrices. The Brazilian National
Institute for Space Research (INPE, in Portuguese) was demanded by
the Brazilian government to build remote-sensing satellites, such
as the Amazonia-1 and CONASAT mission. In such missions, the AOCS
must stabilize the satellite in three-axes so that the optical
payload can point to the desired target. Currently, the control
laws of AOCS are designed and analyzed using linear control
techniques in commercial software. In this work, we report an
open-source nonlinear satellite simulator built to analyze control
laws and their stability and robustness. This satellite simulator
is implemented in Java using Hipparchus (linear algebra library;
which was extended in order to support the SDRE technique) and
Orekit (flight dynamics framework). The initial results ratify
that SDRE yields better performance in the INPEs missions. RESUMO:
O subsistema de controle de atitude e {\'o}rbita (AOCS), aquele
respons{\'a}vel pelo controle de atitude, pode ser projetado com
sucesso atrav{\'e}s da teoria de controle linear se o
sat{\'e}lite tem movimentos angulares lentos e pequenas manobras
de atitude. No entanto, para grandes e r{\'a}pidas manobras, os
modelos linearizados n{\~a}o s{\~a}o capazes de representar
todas as perturba{\c{c}}{\~o}es devido aos efeitos dos termos
n{\~a}o lineares presentes na din{\^a}mica e nos atuadores (por
exemplo, satura{\c{c}}{\~a}o), o que pode comprometer o
desempenho do sistema. Portanto, nestes casos, {\'e} esperado que
t{\'e}cnicas de controle n{\~a}o linear apresentem melhor
desempenho que t{\'e}cnicas lineares, melhorando a acur{\'a}cia
de apontamento do AOCS sem necessitar de conjuntos adicionais de
sensores e atuadores. Uma t{\'e}cnica candidata para o projeto do
controle para grandes e r{\'a}pidas manobras {\'e} a
equa{\c{c}}{\~a}o de Riccati dependente de estado
(State-Dependent Riccati Equation; SDRE). SDRE fornece um
algoritmo efetivo para a sintetiza{\c{c}}{\~a}o de controle
baseado em realimenta{\c{c}}{\~a}o (feedback control) permitindo
n{\~a}o linearidades nos estados do sistema enquanto oferece
grande flexibilidade de projeto. O Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE) {\'e} demandado pelo governo Brasileiro para
projetar e implantar sat{\'e}lites de sensoriamento remoto, como
as miss{\~o}es Amazonia-1 e CONASAT. Em tais miss{\~o}es, o AOCS
deve estabilizar o sat{\'e}lite em tr{\^e}s eixos de forma que a
carga {\'o}tica {\'u}til possa apontar para o alvo em solo.
Atualmente, o controle do AOCS {\'e} projetado e analisado usando
controle linear em software comercial. Neste trabalho,
apresentamos um simulador de sat{\'e}lites n{\~a}o linear
projetado para analisar t{\'e}cnicas de controle bem como sua
estabilidade e robustez. Este simulador de sat{\'e}lites {\'e}
implementado em Java usando-se Hipparchus (uma biblioteca de
{\'a}lgebra linear, que foi estendida para suportar a
t{\'e}cnica SDRE) e Orekit (um quadro de trabalho para
din{\^a}mica de v{\^o}o). Os resultados iniciais ratificam que o
SDRE oferece melhor performance para as miss{\~o}es do INPE.",
affiliation = "{Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)}",
label = "self-archiving-INPE-MCTIC-GOV-BR",
language = "en",
pages = "89",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3UCPLUE",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3UCPLUE",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "28 mar. 2024"
}