PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
Abstract
The technological advances of the last decades, together with the standardization of
the CubeSats, have made viable the use of nanosatellite for commercial and institutional
purposes. Taking advantage of this trend, the National Institute of Space Research is
developing the CONASAT project, which consists of a constellation of nanossatellites
for the collection of environmental data. Constellation interaction requires reasonable
accuracy of the satellite attitude determination and control system, despite the limitations
of the CubeSat platform and cost of the project. In this context, given the need to estimate
the attitude and angular velocity, the present work proposes a less complex alternative
to the Extended Kalman Filter (EKF). The solution consists of an implementation of the
Luenberger state observer for nonlinear systems, also considering the use of the QUEST
algorithm to obtain the attitude. The estimation scheme adopts a kinematic model of
the system with parameterization of the rotation matrix by quaternion, and a dynamic
model considering the object as a rigid body, with the presence of torque due to magnetic
disturbances. The attitude sensor system consists of a magnetometer and a sun sensor,
simulated from the ideal model with additional white noise. Finally, the implemented
estimator is evaluated using simulations, together with a norm constrained EKF approach.
The obtained results demonstrate the technical viability of the proposed method in the
attitude and angular velocity estimation in nanosatellites.Os avanços tecnológicos das últimas décadas, juntamente com a padronização
dos CubeSats, tornaram viável a utilização de nanossatélites para fins comerciais e
institucionais. Aproveitando-se dessa tendência, o Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE) vem desenvolvendo o projeto CONASAT, que consiste em uma
constelação de nanossatélites para coleta de dados ambientais. A interação em
constelação exige razoável precisão do sistema de determinação e controle de atitude
dos satélites, em meio a limitações da plataforma CubeSat e do custo do projeto.
Nesse contexto, dada a necessidade de estimação da atitude e da velocidade angular, o
presente trabalho apresenta uma alternativa de menor complexidade ao Filtro de Kalman
Estendido (EKF). A solução consiste em uma implementação do observador de estado de
Luenberger para sistemas não lineares, considerando ainda o uso do algoritmo QUEST
para obtenção da atitude. Adota-se um modelo cinemático do sistema com parametrização
da matriz de rotação por quatérnio, e um modelo dinâmico considerando o objeto como
um corpo rígido na presença de torque devido a perturbações magnéticas. O sistema de
sensores de atitude é composto por um magnetômetro e um sensor solar, simulados a
partir do modelo ideal com adição de ruído branco. Por fim, o estimador implementado é
avaliado por meio de simulações, juntamente com uma abordagem do EKF com restrição
de norma. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade técnica do método proposto
na estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites
