استفاده از بستر ياتاقان هوايي و عملگر رانشگر گاز سرد براي شبيه‌سازي ديناميك وضعيت ماهواره

Using air-bearing based platform and cold gas thruster actuator for satellite attitude dynamics simulation

ارايه روندنماي طراحي و ساخت شبيه ساز ديناميك وضعيت ماهواره كه به منظور صحت سنجي الگوريتم هاي كنترلي موجود، توسعه روش هاي كنترلي جديد، تست زيرسامانه هاي ماهواره و آموزش كاربران در حوزه پايداري و كنترل وضعيت سامانه هاي فضايي به كار گرفته مي شود، هدف اين پژوهش است. اين شبيه ساز دمبلي شكل، بر پايه يك ياتاقان هوايي تمام كروي قرار گرفته و مي تواند بستر كاملاً بدون اصطكاك و گشتاورآزاد را براي شبيه سازي محيط عملكردي فضاپيما ايجاد كند. مجموعه رانشگرهاي گاز سرد، حسگر وضعيت، پردازشگر مركزي، مكانيزم هاي بالانس، واحد تامين انرژي و ياتاقان هوايي زيرسامانه هاي اصلي اين شبيه ساز هستند كه در تعامل با يكديگر، امكان انجام تست هاي عملياتي بر روي آن را فراهم مي نمايند. استخراج ساختار طراحي همه جانبه اين سامانه و كليه زيرسامانه هاي آن، كه قيود ماموريتي، الزامات عملكردي و محدوديت هاي شبيه سازي بر روي زمين را لحاظ كرده باشد، امري پيچيده و زمان بر بوده و نيازمند درنظرگرفتن ارتباطات گسترده زيرسامانه ها است. لذا در اين مقاله، ضمن استخراج ماتريس ارتباط متقابل زيرسامانه-ها، روندنماي طراحي و ساخت هريك از آن ها مورد اشاره قرار خواهد گرفت. در ادامه، نحوه مدل سازي رياضي حركت وضعي شبيه ساز با استفاده از عملگر رانشگرهاي گاز سرد كه در مود روشن-خاموش كار مي كنند، مورد بررسي قرار خواهد گرفت و معادلات استخراج شده براي بالانس سامانه به كمك خروجي هاي حسگر، ارايه خواهد شد. در انتها نيز نتايج برخي از تست هاي عملياتي كه با استفاده از اين شبيه ساز انجام پذيرفته است، مورد تجزيه و تحليل قرار خواهد گرفت.

This article describes the details in design and development of a satellite attitude dynamics simulator that is used to validate control algorithms, improve novel control methods, verify the operation of available actuators or sensors and exhibit the fundamentals of attitude dynamics to students or experts. This dumbbell style simulator is based on a spherical air-bearing and is able to produce a frictionless and torque-free environment for simulating spacecraft operational environment. The facility includes a variety of subsystems such as: cold-gas propulsion subsystem, inertial measurement unit, power-supply unit, on-board processor and semi-automatic mass balancing mechanism. The overall design of this system was pretty complicated especially when considering the mission requirements, operating constraints and functional limitations imposed by the ground-based simulation, thus, a detailed design procedure has been deployed and also, this procedure has been performed accurately. An explanation about dynamic equations of motion of simulator with on-off thrusters, software-based simulation, applying reliable control algorithm and balancing methodology is the next part of this article. Finally, the results of the realistic maneuvers of this satellite simulator are presented and investigated in detail.