LUSEX LU Satellite EXperiment

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LUSEX LU Satellite EXperiment

• Determinación y Control de Actitud

Ing. Raúl Bon Foster (lu5ag_at_amsat.org.ar)
Ing. José Víctor Pérez Losada (lu2cpj_at_amsat.org.a
r)
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Introducción

• Vehículo espacial tarea multidisciplinaria muy
  compleja.
• Aspectos más importantes a determinar
• Estudio de la órbita.
• Conociento y control de actitud.

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Introducción

• El LUSEX (LU Satellite EXperiment) es un
  proyecto de satélite llevado adelante por AMSAT
  Argentina con la colaboración de miembros y otras
  entidades con las siguientes premisas
• Tipo CuboSat, de solo 10 cm de cara, y de no más
  de 1 Kg de peso,
• Orbita Baja, polar, circular, de unos 800 Km de
  altura.

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Introducción

• Misión primaria
• Proveer un repetidor en el espacio con caracte-
  rísticas especiales para la experimentación.
• Misiones secundarias
• Desarrollar una tecnología de satélites
  extremadamente pequeños,
• Baliza para telemetría en APRS, transmitir desde
  el satélite a tierra imágenes previamente
  cargadas, en modos de televisión de barrido
  lento (SSTV)

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Sistemas de Control de Actitud

• Conceptos de control por realimentación.
• El concepto de control activo de la actitud es
  que misma se mide y compara con el valor deseado.
  La señal de error así obtenida se usa entonces
  para determinar una maniobra de corrección de
  torque, que es implementada por el actuadores de
  a bordo. Debido a que las perturbaciones externas
  seguirán ocurriendo, y dado que las mediciones
  como las correcciones serán imperfectas, el ciclo
  continuará indefinidamente.

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Sistemas de Control de Actitud

• Métodos de control de actitud usados normalmente
• Volantes de inercia
• Giroscopio inercial de control
• Toberas de reacción
• Magnetorquers (Torqueadores magnéticos)

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Sistemas de Control de Actitud

• Volantes de inercia se trata de volantes o
  ruedas que giran, por lo tanto acumulan momento
  angular, que se opone a cambios en la dirección
  del eje de giro.
• Giroscopio inercial de control es básicamente un
  volante de inercia en un cardan, colocado
  perpendicular al eje de rotación de la rueda. Un
  torque aplicado al cardan produce un cambio en el
  momento angular perpendicular al vector momento
  angular existente.
• Toberas de reacción son motores que funcionan
  por expulsión de masa, acción y reacción.
• Magnetorquers (Torqueadores magnéticos) son
  bobinas, que al circular corriente a través de
  ellas, producen un campo magnético normal al
  plano de la misma, el cual interactúa con el
  campo magnético terrestre, produciendo un momento
  o par.

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Perturbaciones en un vehículo espacial

• Momentos aerodinámicos la atmósfera superior
  creará una fuerza de resistencia (Drag)
  produciendo un momento perturbador .
• Momentos por gradiente-gravitatorio un objeto en
  órbita experimentará una atracción más fuerte
  sobre su lado inferior que su lado superior. Esta
  atracción diferencial, dará como resultado un
  momento que tiende a rotar el objeto para alinear
  su eje largo con la vertical local.
• Momentos por presión de radiación solar la
  presión de radiación solar puede producir
  momentos perturbadores . Este momento es
  independiente de la velocidad o la posición de
  vehículo espacial, existe mientras el vehículo
  esté iluminado, y es siempre perpendicular a la
  línea de sol.
• Momentos magnéticos la Tierra y los otros
  planetas, aún ejercen otro momento sobre el
  vehículo espacial en órbitas bajas. Este momento
  puede ser usado a favor de la corrección de
  mediante el uso de bobinas de torque.

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Perturbaciones en un vehículo espacialCondiciones
de diseño

• Perturbaciones varias otras perturbaciones que
  pueden afectar la actitud de la nave pueden ser,
  el venteo de fluidos internos, piezas móviles
  dentro del satélite, momentos debidos a antenas,
  paneles solares e instrumentos de investigación
  de a bordo.
• Condiciones de diseño
• Conocer el estado de rotación y actitud después
  de la separación para realizar el proceso de
  detumbling y con ello llevar al satélite a un
  estado controlable.
• Conocer la posición y actitud del satélite, para
  controlar esta última y orientar el satélite y
  los paneles al sol para máxima generación de
  energía.
• Dadas las limitaciones de tamaño, el sistema de
  control de actitud debe tener poco peso, poco
  tamaño y bajo consumo de energía.

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Condiciones de diseño

• El sistema de control y estabilización debe ser
  en tres ejes.
• La precisión necesaria en el apuntamiento está en
  el orden de /- 25
• grados respecto del Sol y es principalmente
  dependiente de rendimiento de la generación de
  energía cuando los paneles no son normales al
  Sol.
• Dado el tamaño, del satélite, se ha optado por
  el sistema de magnetorquers, descartando otras
  posibilidades tales como ruedas de reacción ,
  toberas o giroscopios.
• Se utilizaran sensores de sol y magnetómetros,
  así como medición de la corriente producida por
  los paneles solares. dato no aplicable para la
  determinación de la actitud ya que luego de la
  separación, los paneles estarán aun plegados. En
  el mejor de los casos aportarían información solo
  en el eje Z, e inmediatamente después de la
  separación la corriente, no necesariamente será
  representativo del apuntamiento. En caso de
  avería de algún panel se pierde referencia en
  dicho eje.

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Sistema de control de actitud del LUSEX

• Procesamiento de la información esta basado en
  un controlador de la familia Microchip, el
  DSPIC33, al cual se conectaran los sensores antes
  mencionados y además los sensores de corriente de
  cada bobina. El controlador de ADCS estará
  conectado con el procesador central del satélite,
  con el cual mantendrá comunicación para la
  información de estado de los sensores y
  actuadores, y para que el procesador central
  pueda enviar los datos de los parámetros
  Keplerianos para la corrección de actitud.
• Bobinas de Magnetorquers las tres bobinas
  deberán tener el mismo comportamiento, por lo
  tanto el dimensionamiento tanto eléctrico como
  mecánico será idéntico para cada una.

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Sistema de control de actitud del LUSEX
Diseño de la bobina de magnetorque

• a

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Sistema de control de actitud del LUSEX

• Drivers de Magnetorquers son los circuitos de
  potencia que harán de interfaz entre el
  procesador y el actuador (bobina de magnetorque),
  teniendo en cuenta que las bobinas requerirán de
  variabilidad del campo generado, es decir, que
  deberán polarizarse en un sentido, y luego
  cambiar esta polarización al sentido contrario.
  Debido a esta condición, hemos optado por una
  salida tipo puente H como se muestra en la
  figura
• Con L1 designamos la bobina, los
  terminales A y B se conectan al
  controlador, y ambos colectores a el
  terminal de la barra de potencia.

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Sistema de control de actitud del LUSEX

• Debemos tener en cuenta al momento del
  dimensionamiento
• Dispersión del HFE en cada transistor dado por
  las temperaturas extremas a la que estará
  sometido, a tener en cuenta, por la potencia
  requerida y por la corriente que se debe entregar
  a cada bobina para producir el momento magnético
  deseado.
• Consumo de corriente el control del satélite
  depende del campo generado por la bobina, a su
  vez el campo magnético es linealmente dependiente
  de la corriente que pasa a través de la bobina, y
  a su vez esta corriente es dependiente de la
  temperatura en forma lineal, seria ideal poder
  medir la temperatura de la bobina, para así saber
  el requerimiento de corriente debido a su
  temperatura en ese momento, como esto es un poco
  difícil de implementar, se sensara la corriente
  que pasa a través de ella, intercalando un
  resistor en serie con la bobina, y luego medir
  con el conversor A/D del microcontrolador, para
  tomar la acción pertinente.

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Sistema de control de actitud del LUSEX

• Desarrollo y conclusiones ya se han construido
  y ensayado eléctricamente las bobinas con los
  siguientes resultados a temperatura de 15C
  presentan una resistencia de 97 Ohms, lo cual
  para una tensión de alimentación de 3.7 V implica
  una potencia disipada de 141 mW. Esto está en el
  mismo orden de magnitud de otros antecedentes.
• Tratándose de tres bobinas, en el peor de los
  casos, a dicha temperatura las tres bobinas
  consumirían 423 mW a la temperatura indicada,
  aunque no serán activadas simultáneamente. Si
  tomamos en cuenta las temperaturas esperadas, se
  esperan consumos entre 100 y 200 mW por bobina,
  que se pueden accionar evitando la simultaneidad
  y que además su ciclo de trabajo es pequeño,
  planteado en un 10 durante las maniobras , lo
  cual es apto para tomar acción después de la
  separación, para el detumbling, cuando podría
  haber poca energía provista solo por la batería y
  los pequeños paneles pegados a las caras del
  cubo.

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Sistema de control de actitud del LUSEX
Si bien el consumo de energía aparece como
significativo, hay que tener en cuenta que solo
se actuará una bobina por vez y en un ciclo de
trabajo pequeño, por lo que la energía requerida
por los magnetorquers para el control de actitud
de la nave es totalmente compatible con la
energía que se dispone.
Fotografía de la bobina ya realizada y testeada
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LUSEX LU Satellite EXperiment

• Muchas gracias por su atención

AMSAT Argentina
Grupo LUSEX
Ing. Raúl Bon Foster (lu5ag_at_amsat.org.ar)
Ing. José Víctor Pérez Losada (lu2cpj_at_amsat.org.ar
)