طراحي الگوريتم كاليبراسيون روي برد حسگر مغناطيسي ماهواره با استفاده از روش هاي پاسخ متمركز و فيلتر كالمن دو مرحله اي

Design of On Board Calibration Algorithms of Satellite Magnetometer based on Two Stage Centered Solution and Kalman Filter Methods

حسگر مغناطيسي يكي از حسگرهاي مهم مورد استفاده در سيستم تعيين و كنترل وضعيت ماهواره است. با توجه به بروز خطاهاي مختلف در هنگام جدا شدن ماهواره از ماهواره ­بر و همچنين هنگام چرخش ماهواره در مدار، لازم است پارامترهاي اين حسگر به شكل روي برد دوباره اصلاح گردد. براي اين منظور در اين مقاله راهكارهايي براي استخراج پارامترهاي حسگر ارائه شده است كه در آنها نياز به دانستن وضعيت لحظه ­اي ماهواره نمي ­باشد. در اين راستا ابتدا يك مدل از حسگر مغناطيسي ارائه شده كه بر خلاف مدل­هاي مرسوم شامل اثر غيرخطي، اثر هيسترزيس، اثر كوانتيزه­ كردن داده­ ها، اثر نفوذپذيري و خطاي نصب است. در ادامه به منظور كاليبراسيون روي برد حسگر، ساختارهاي سري دو مرحله ­اي خارج از خط و برخط پيشنهاد شده است. در حالت خارج از خط، از تركيب دو الگوريتم پاسخ متمركز و لونبرگ ماركارد استفاده شده است و در حالت برخط دو الگوريتم مبتني بر فيلتر كالمن توسعه يافته و خنثي پيشنهاد گرديده است. با استفاده از راهكارهاي معرفي شده مي­توان انواع خطاهاي حسگر شامل باياس، ضريب مقياس و خطاي نصب را بطور همزمان تعيين نمود و دقت كاليبراسيون را در قياس با كارهاي مشابه بهبود بخشيد. نتايج شبيه­سازي روي يك ماهواره نزديك به زمين نشان مي ­دهد كه اين دو روش پارامترهاي حسگر را با دقت قابل قبول استخراج مي ­كنند. بر اين اساس، رويكرد مبتني بر پاسخ متمركز هر چند داراي زمان محاسبات و همگرايي كوتاه­ تر در قياس با روش­هاي برخط دارا مي­ باشد اما داراي دقت كمتر مي­ باشد.

Magnetometer is one of the most important sensors used in the satellite attitude determination and control system. Due to occurrence of various errors when the satellite is separated from the launcher and also during its rotation in the orbit, it is necessary to re-adjust onboard the sensor parameters. For this purpose, some solutions are proposed in this paper in which the satellite current attitude is not required. In this regard, first a magnetometer model is presented that despite conventional models; it includes nonlinearity, hysteresis and data quantization effects, permeability and installation error. Then, for sensor onboard calibration purposes, two stages-offline and two-stage online series structures are suggested. In the offline case, the centered solution and Levenberg Marquardt methods have been integrated. Also, the extended and unscented Kalman filters are integrated for online case. Utilizing the suggested algorithms, different errors including bias, scale factor and installation errors are simultaneously determined and also the accuracy is improved compared to the similar works. The simulation results for a Leo satellite show that the sensor parameters are derived with acceptable accuracy. Accordingly, it will be illustrated that the centered solution method has lower computational load and shorter time convergence, but it has lower accuracy with respect to online methodology.