Development of control architectures in multi-agent satellite systems for Earth observation services

ilustraciones, fotografías, graficas, mapasLas necesidades de apropiación tecnológica y la estructuración de misiones espaciales en el contexto colombiano traen consigo la demanda de servicios y trabajos colaborativos y especializados, para los diferentes segmentos de un sistema espacial, como bien se está identificando en la estructuración del Programa Espacial Colombiano. Frente a estos derroteros, la presente investigación aborda el reto de apropiación del conocimiento en el diseño de misión, el control del segmento espacial y en especial el reto de proponer estrategias de control a sistemas satelitales multiagente, ya que los sistemas convencionales por su costo, centralización y modos de control conservadores, restringen el desempeño individual y grupal para las nuevas alternativas de sistemas en red que se presentan con los satélites de pequeña escala. En este sentido y mediante el uso de la metodología en V, se abordan los procesos de diseño de misión, así como el diseño de controladores individuales y grupales para la orientación y traslación de satélites en misiones de observación terrestre. Lo anterior con el fin de aprovechar la reducción de costos y flexibilidad operacional que brinda el uso de satélites de pequeña escala; a pesar de su limitada capacidad operacional/física, la cual hace necesario disponer de más de un agente para lograr los objetivos de servicio. Esta necesidad inherente, demanda la posibilidad de interconectar agentes en red y explorar arquitecturas de control con estrategias de cooperación, consenso y técnicas robustas de control en red, que permitan afrontar las no linealidades, incertidumbres y errores que limitan su coordinación y cooperación. Según lo expuesto, se definen diferentes arquitecturas de control frente a perturbaciones, limitaciones de actuación e incertidumbres, donde se identifican y caracterizan parámetros de desempeño individual y grupal ante diferentes tipos de misión, comportamientos adaptativos, políticas de consenso y cooperación, en dos etapas: La primera con el análisis, diseño y desarrollo de misiones, modelos y controladores, útiles para la definición del sistema y las arquitecturas de control formuladas; y la segunda mediante la evaluación e integración de algoritmos de control y consenso, validados con el método de Montecarlo y la aplicación de los índices propuestos como métricas de desempeño de la red. Adicionalmente, se incluye el diseño e implementación de una interfaz gráfica para la instrucción y entrenamiento en el diseño de misión y configuración de agentes, como complemento a los controladores y arquitecturas propuestas para la apropiación de tecnologías de control modernas y el manejo de sistemas satelitales de pequeña escala, como medios para la democratización y el despliegue del concepto del New Space en el territorio colombiano. (Texto tomado de la fuente)The needs for technological appropriation and structuration of space missions in the Colombian context bring with them the demand for collaborative and specialized services and works, for the different segments of a space system, as is being well identified in the structuration of the Colombian Space Program. Facing these objectives, this research addresses the challenge of knowledge appropriation in mission design, space segment control, and especially the challenge of proposing control strategies for multi-agent satellite systems, since conventional systems due to their cost, centralization, and conservative control modes, restrict individual and group performance for the new network system alternatives that come with small-scale satellites. In this sense and using the V methodology, the mission design processes are addressed, as well as the design of individual and group controllers for the orientation and translation of satellites in terrestrial observation missions. The foregoing to take advantage of the cost reduction and operational flexibility provided using small-scale satellites; despite its limited operational / physical capacity, which makes it necessary to have more than one agent to achieve service objectives. This inherent need demands the possibility of interconnecting agents in the network and exploring control architectures with cooperation strategies, consensus, and robust network control techniques, which allow facing the non-linearities, uncertainties and errors that limit their coordination and cooperation. According to the above, different control architectures are defined against disturbances, actuation limitations and uncertainties, where individual and group performance parameters are identified and characterized in front of different types of mission, adaptive behaviors, consensus and cooperation policies, in two stages: The first with the analysis, design and development of missions, models and controllers, useful for defining the system and formulated control architectures; and the second through the evaluation and integration of control and consensus algorithms, validated with the Montecarlo method and the application of the indexes proposed as network performance metrics. Further, the design and implementation of a graphical interface for instruction and training in mission design and agent configuration is included, as a complement to the controllers and architectures proposed for the appropriation of modern control technologies and the management of small-scale satellite systems, as means for the democratization and deployment of the New Space concept in Colombian territory.DoctoradoDoctor en IngenieríaIngeniería de Automatización, Control y Mecatrónic

Revisión de sistemas de control en red como base para sistemas satelitales de pequeña escala

This article starts from the complementary premise between large-scale satellite systems and small-scale network systems that can supply the same services. Therefore, different approaches to work developed around the contributions of network control systems are presented, as a basis for the development of new technologies in the operation of satellite systems and aerospace services, which have become a permanent challenge for di erent disciplines and de- veloping countries around the world. In this sense, a descriptive review was organized by topics and descriptors for the search of design factors in relation to the operation and control systems that have been a source of work, both for the con guration of constellations and satellite clusters; achieving with this to identify the trends and contributions that have been developed in the eld of multi-agent systems, as well as the necessary guidelines for the formulation of solutions to the coordination needs of low-cost systems, which are capable of providing sustainable alternatives for countries such as Colombia in the face of the democratization of space. With this review, different guidelines for the definition of requirements, the description of architectures and reference models are obtained, as well as some factors of use in comparative technologies, which in practical terms provide the tools for the generation of mission design alternatives. in critical security and defense applications, which can be extended in multi-agent satellite systems approaches.Este artigo é baseado na premissa de complementaridade entre os sistemas de satélite, sistemas de rede em grande escala pequena escala que podem fornecer os mesmos serviços, portanto, diferentes abordagens trabalho desenvolvido em torno da rede sistema de controle de entrada são apresentados , como base para o desenvolvimento de novas tecnologias na operação de sistemas de satélite e serviços aeroespaciais, que se tornaram um desa o permanente para diferentes disciplinas e países em desenvolvimento em todo o mundo. A este respeito, uma revisão descritiva organizado por tópicos e palavras-chave para fatores de design da pesquisa relacionados com os sistemas de comando e controlo que têm sido uma fonte de trabalho, tanto para a con guração de grupo de constelações de satélites foi feita; assim, conseguir identificar tendências e contribuições no campo de sistemas multi-agente, foram desenvolvidos e orientações necessárias para formular soluções para as necessidades de coordenação dos sistemas de baixo custo que são capazes de fornecer alternativas sustentáveis para países como a Colômbia contra a democratização do espaço. Com esta revisão são obtidos como resultado diretrizes diferentes para definição de requisitos, descrição de arquiteturas e modelos de referência, bem como alguns fatores utilizar tecnologias comparados, em termos práticos, fornecer ferramentas para a geração de missão alternativas de projeto em aplicações críticas de segurança e defesa, que podem ser estendidas em abordagens de sistemas de satélites multiagentes.el presente artículo parte de la premisa complementaria entre sistemas satelitales de gran escala y sistemas en red de pequeña escala que puedan suplir los mismos servicios, por lo tanto, se presentan diferentes enfoques de trabajos desarrollados en torno a los aportes de sis- temas de control en red, como fundamento al desarrollo de nuevas tecnologías en la operación de sistemas satelitales y de servicios aeroespaciales, los cuales se han convertido en un desafío permanente para diferentes disciplinas y países en vía de desarrollo alrededor del mundo. En este sentido, se realizó una revisión descriptiva organizada mediante tópicos y descriptores para la búsqueda de factores de diseño en relación con los sistemas de operación y control que han sido fuente de trabajo, tanto para la con guración de constelaciones como de clúster satelitales; logrando con esto identi car las tendencias y aportes que en materia de sistemas multiagente se han desarrollado, así como las pautas necesarias para la formulación de soluciones a las necesidades de coordinación de sistemas de bajo costo, que sean capaces de brindar alternativas sostenibles para países como Colombia frente a la democratización del espacio. Con esta revisión se obtienen como resultados diferentes lineamientos para la definición de requerimientos, la descripción de arquitecturas y modelos de referencia, así como algunos factores de uso en tecnologías comparadas, que en términos prácticos brindan las herramientas para la generación de alternativas de diseño de misión en aplicaciones de seguridad crítica y defensa, que pueden ser extendidas en enfoques de sistemas satelitales multiagente

Study of fhe flying and handling qualities of a glider-type aircraft for instruction purposes

The goal of this paper is to conduct a study on the flying and usability attributes of a glider-type aircraft used for instruction. For the development of this project, we propose a dynamic model where we introduce small disturbances to calculate the longitudinal trim state in subsonic flight conditions. Using longitudinal trim data, we showed the linearized equations of motion to find the dimensionless and dimensional numerical values for aerodynamic stability and control derivatives along the longitudinal and lateral-directional axes. After that, we foudnd the characteristic transfer functions using disturbances and accelerations for the sake of the best glide ratio speed, in order to calculate the aircraft responses in aerodynamic controls. Finally, we got the static and dynamic stability responses; and so, we analyzed the flying and usability attributes according to the standardized requirements. The results obtained are shown using aerodynamics coefficients, MatLab® graphs (step, impulse, ramp, Bode diagram and Root place), the stability modes, the rudder lift curve slope, the control fi xed neutral point and the maximum permissible stability margin. In this way, we showed the calculation of stability, influencing factors and its effects on the flying and usability attributes of a glider-type aircraft.O objetivo deste trabalho é fazer um estudo das qualidades de voo e manejo de um avião tipo planador para a instrução. Para o desenvolvimento, propomos um modelo dinâmico com pequenas perturbações para calcular o estado de compensação longitudinal em condições de voo subsônico. Com os dados de recorte longitudinal, mostramos as equações de movimento alinhadas para encontrar os valores numéricos adimensionais e dimensionais da estabilidade aerodinâmica e as derivadas de controle ao longo dos eixos direcionais longitudinal e lateral. A seguir, encontramos as características das funções de transferência por perturbações e acelerações à melhor velocidade de relação de planar para calcular as respostas da aeronave nos controles aerodinâmicos. Finalmente, obtivmos as respostas de estabilidade estática e dinâmica; e assim, analisamos as qualidades de voo e manejo de acordo com os requisitos padronizados. Os resultados obtidos se apresentam a partir de coeficientes aerodinâmicos, gráfi cos da MatLab® (passo, impulso, rampa, diagrama de Bode e lugar da raiz), os modos de estabilidade, a pendente da curva de elevação do volante, o ponto neutro fixo de controle e a margem de estabilidade máxima permitida. Desta forma, mostramos o cálculo da estabilidade, os fatores que influem e seus efeitos sobre as qualidades de voo e manejo de um avião tipo planador.El objetivo de este artículo es hacer un estudio de las cualidades de vuelo y manejo de una aeronave tipo planeador para propósitos de instrucción. Para el desarrollo, un modelo dinámico es propuesto en pequeñas perturbaciones a fin de calcular el estado de equilibrio longitudinal en condiciones de vuelo subsónico. Con los datos del equilibrio longitudinal, fueron mostradas las ecuaciones de movimiento linealizadas para hallar los valores numéricos dimensionales y adimensionales de las derivadas de estabilidad y control aerodinámico a lo largo de los ejes longitudinal y lateral-direccional. Seguido, las funciones de transferencia características por perturbaciones y aceleraciones para la velocidad de mejor relación de planeo, son encontradas para calcular las respuestas de la aeronave en controles aerodinámicos. Finalmente, las respuestas de estabilidad estática y dinámica fueron obtenidas, y así, las cualidades de vuelo y manejo fueron analizadas de acuerdo a los requerimientos estandarizados. Los resultados obtenidos son presentados a partir de coeficientes aerodinámicos, gráficas de Matlab® (Paso, impulso, rampa, diagrama de Bode y lugar de raíces), modos de estabilidad, curva de pendiente de sustentación de Rudder, punto neutro de controles fijos y el margen máximo de estabilidad permitido. De esta forma, el cálculo de estabilidad, los factores de influencia y sus efectos en las cualidades de vuelo y manejo de una aeronave tipo planeador fueron demostradas

Sustainable design of a nanosatellite structure type CubeSat as a modular platform for tests

This article is intended to contribute to the development of proprietary technologies and the evaluation and selection of integrated technologies in the study of the aerospace concept necessary for the processes of technological appropriation. The problem addressed lies in the lack of modular platforms and lowcost test systems for experimental development and simulations of satellite systems. Therefore, compare to this the proposal of a scalable modular platform of the 1U CubeSat standard is presented as the main results. The design and characterization process presented from the concept of sustainability, contributes to the use and development of low-cost equipment that minimizes the impact on the environment and, in turn, is practical for its implementation in activities of groups and research centers that promote the diffusion of space technologies in Colombia. The methodology of sustainable design, the definition of design principles and conceptual design, which is materialized with the application of quality function deployment method (QFD), the theory of inventive problem solving (TRIZ), the manufacturability-oriented design (DfM), assemblability (DfA), environmental impact (DfE), reliability (DfR), and safety assessment, are relevant for compliance with the CubeSat operating standards described in CDS. Finally, several constructive modes of the low cost test platforms are proposed with different materials such as 3D prototyping in paper, ABS, MDF wood and aluminum. All of them are small-scale satellite structures designed and constructed at low-cost. These designs result in the materialization to test on-board systems and integration resistance in assembly and materials, in laboratories as vibration test-bench, for research groups or companies interested in promoting the development of space technologies.Este artigo busca contribuir para o desenvolvimento de tecnologias próprias e a avaliação e seleção de tecnologias integradas necessárias para os processos de apropriação tecnológica no campo aeroespacial. O problema abordado surge da falta de plataformas modulares e sistemas de teste de baixo custo permitindo o desenvolvimento experiencial de sistemas de satélites e a realização de simulações. Portanto, a proposta de uma plataforma modular e escalável do padrão 1U CubeSat é apresentada como resultado final. O processo de desenho desta plataforma, sob critérios sustentáveis, contribui para o desenvolvimento de equipamentos de baixo custo que minimizam seu impacto ambiental e podem ser facilmente adquiridos por grupos e centros de pesquisa interessados na disseminação de tecnologias espaciais na Colômbia. A metodologia de design sustentável, a definição dos princípios de design e o design conceitual, materializados com a aplicação do método Desdobramento da Função Qualidade (QFD), a Teoria da Solução Inventiva de Problemas (TRIZ), o Design para Fabricação (DFM), a Capacidade de Montagem (DFA), o Impacto Ambiental (DFE), a confiabilidade e a avaliação da segurança são relevantes para atender aos padrões exigidos pelo CubeSat. Por último, vários modelos são propostos para a fabricação de plataformas de testes com diferentes materiais como protótipos 3D em papel, ABS, madeira MDF e alumínio. Todas estas são estruturas de satélite de pequena escala projetadas e construídas com materiais de baixo custo. Os desenhos propostos permitem testar os sistemas a bordo e a resistência da integração de montagens e materiais em escala laboratorial, para que o desenvolvimento desse tipo de tecnologia espacial seja divulgado pelos grupos de pesquisa ou empresas interessadas.Este artículo busca contribuir al desarrollo de tecnologías propias y la evaluación y selección de tecnologías integradas necesarias para los procesos de apropiación tecnológica en el ámbito aeroespacial. El problema abordado surge de la falta de plataformas modulares y de sistemas de prueba de bajo costo que permitan el desarrollo experimental de sistemas satelitales y la realización de simulaciones. Por lo tanto, se presenta la propuesta de una plataforma modular escalable del estándar 1U CubeSat como principal resultado. El proceso de diseño de esta plataforma con criterios de sostenibilidad contribuye al desarrollo de equipos de bajo costo que minimizan su impacto ambiental y son de fácil adopción por parte de grupos y centros de investigación interesados en la difusión de tecnologías espaciales en Colombia. La metodología de diseño sostenible, la definición de los principios de diseño y del diseño conceptual, materializados con la aplicación del método de despliegue de la función calidad (QFD), la teoría para resolver problemas de inventiva (TRIZ), el diseño orientado a la fabricación (DfM), la capacidad de ensamblaje (DfA), el impacto ambiental (DfE), la confiabilidad (DfR) y la evaluación de seguridad, son relevantes para el cumplimiento de los estándares operativos requeridos por CubeSat. Por último, se proponen varios modelos para la fabricación de plataformas de prueba con diferentes materiales, tales como prototipos 3D en papel, ABS, madera MDF y aluminio. Todos estos son estructuras satelitales a pequeña escala diseñadas y construidas a bajo costo. Los diseños propuestos permiten poner a prueba los sistemas a bordo y la resistencia de la integración de ensamblaje y materiales a escala laboratorio, con el fin de que los grupos de investigación o las empresas interesadas promuevan el desarrollo de este tipo de tecnologías espaciales

Diseño de misión, síntesis de factores operacionales y representaciones del segmento espacial, caso FACSAT y EMFF

This article examines the space segment as part of the structuring process of an aerospace project, starting from the problem of disarticulation of design processes, the omission of operational factors, and unawareness of the behavior of the space segment in orbit. For this purpose, it is necessary to revisit the steps required in the mission design of a space system, the architecture and the constituent subsystems of the generic segment, as well as the useful operational factors for the development of the mission concept. Hence, different representations of the orientation and translation movement of the space segment are presented as a guide for the modeling of low-orbit observation missions. Based on this, two characterizations of design and representation requirements are provided as practical examples —both for the mission design, with the synthesis of mission objectives of a space program, and the representation of the space segment— against the needs of a close proximity mission with in-orbit maneuvering capabilities that may require not one but several coordinated satellites; all this by using the Electromagnetic Formation Flying method (EMFF).O artigo tem como objetivo a análise do segmento espacial como parte do processo de estruturação de um projeto aeroespacial, partindo do problema da desarticulação de processos de design, omissão de fatores operacionais e o desconhecimento do comportamento do segmento espacial em órbita. Para isso, é necessário contabilizar as etapas requeridas no desenho de missão de um sistema espacial, a arquitetura e subsistemas constitutivos do segmento genérico, e a identificação de fatores operacionas úteis para o desenvolvimento do conceito de missão. Além disso, diferentes formas de representação do movimento de orientação e translação do segmento espacial são apresentadas como modelo para a modelagem de missões de observação terrestre em órbita baixa. Com base nisso, duas caracterizações são obtidas como exemplos práticos das necessidades de design e representação, tanto para o design de missão com a síntese dos objetivos da missão de um programa espacial, quanto para a representação do segmento espacial, voltada para as necessidades de uso de um ajuste de missão de grande proximidade e com capacidades de manobra em órbita que pode mesmo precisar não apenas um, mas vários satélites coordenados, tudo isso usando o modelo de vôo de treinamento eletromagnético.El presente artículo tiene como propósito el análisis del segmento espacial como parte del proceso de estructuración de un proyecto aeroespacial, partiendo del problema de desarticulación de procesos de diseño, omisión de factores operacionales y desconocimiento del comportamiento del segmento espacial en órbita. Para esto es necesario el recuento de los pasos requeridos en el diseño de misión de un sistema espacial, la arquitectura y subsistemas constitutivos del segmento genérico e identificación de factores operacionales útiles para el desarrollo del concepto de misión. Adicionalmente, se presentan diferentes formas de representación del movimiento de orientación y traslación del segmento espacial, como guía para el modelamiento de misiones de observación terrestre en órbita baja. Con base en esto se obtienen dos caracterizaciones como ejemplos prácticos para las necesidades de diseño y representación, tanto para el diseño de misión con la síntesis de objetivos de misión de un programa espacial, como para la representación del segmento espacial, frente a las necesidades de uso de un arreglo de misión de gran proximidad y con capacidades de maniobra en órbita, que incluso, pueda requerir no solo uno sino varios satélites en coordinación, todo esto mediante el modelo de vuelo de formación electromagnética (EMFF)

La formación avanzada: alcances y desafíos para el desarrollo social y político

La formación avanzada mediada por sus alcances y desafíos a nivel mundial, es uno de los retos de articulación de las políticas y mecanismos para la gestión y el dominio del conocimiento aplicado tanto a nivel académico, como industrial y organizacional en general. En este sentido, a partir de un análisis documental y la recopilación de factores de las prácticas formativas de diferentes universidades y el desempeño de la nación, se presentan tres ejes de articulación para la mediación de una formación avanzada de alto impacto, como lo es la sustentación de la Investigación aplicada y básica como cultura investigativa para el desarrollo y la transformación social, segundo, la descripción de una comunidad científica aportante a la formación integral y tercero las recomendaciones para la articulación de la investigación con las estructuras institucionales administrativas a través de la ciencia, la tecnología y la investigación hacia un mercado globalizado con enfoque práctico en la innovación y la competitividad

La formación avanzada alcances y desafíos desarrollo social y político

La formación avanzada mediada por sus alcances y desafíos a nivel mundial, es uno de los retos de articulación de las políticas y mecanismos para la gestión y el dominio del conocimiento aplicado tanto a nivel académico, como industrial y organizacional en general, en este sentido, a partir de un análisis documental y la recopilación de factores de las prácticas formativas de diferentes universidades y el desempeño de la nación, se presentan tres ejes de articulación para la mediación de una formación avanzada de alto impacto, como lo es la sustentación de la Investigación aplicada y básica como cultura investigativa para el desarrollo y la transformación social, segundo, la descripción de una comunidad científica aportante a la formación integral y tercero las recomendaciones para la articulación de la investigación con las estructuras institucionales administrativas a través de la ciencia, la tecnología y la investigación hacia un mercado globalizado con enfoque práctico en la innovación y la competitividad