gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»MYTYMYgyroscopy-18Research ArticleСтатьиТехнология проектирования углового движения малоразмерного космического аппарата стандарта CUBESAT с пассивной системой стабилизацииTechnology for Designing the Angular Motion of CubeSat Nanosatellites with a Passive Stabilization SystemБариноваЕ. В.BarinovaE. V.

Баринова Елена Витальевна. Кандидат технических наук, доцент межвузовской кафедры космических исследований

Самара

Samara

БелоконовИ. В.BelokonovI. V.

Белоконов Игорь Витальевич. Доктор технических наук, профессор, заведующий межвузовской кафедрой космических исследований; Действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением»

Самара

Samara

ТимбайИ. А.TimbaiI. A.

Тимбай Иван Александрович. Доктор технических наук, профессор межвузовской кафедры космических исследований; Действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением»

Самара

Samara

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваРоссияSamara National Research UniversityRussian Federation2024160520253247487Copyright © Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А., 20252025Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А.Barinova E.V., Belokonov I.V., Timbai I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/18

В статье рассматривается технология проектирования движения относительно центра масс малоразмерного космического аппарата стандарта CubeSat с пассивной гравитационной и/или аэродинамической системой стабилизации. На основе предложенных ранее математических моделей движения относительно центра масс разработан комплексный подход к совместному выбору проектных параметров, таких как смещение центра давления относительно центра масс, моменты инерции, а также к заданию требований к начальным условиям углового движения для стабилизации аппарата в окрестности требуемой ориентации. Данный подход применяется при создании наноспутников в Самарском университете.

The paper discusses the technology for designing motion relative to the center of mass of a CubeSat nanosatellite with a passive gravitational and/or aerodynamic stabilization system. Based on the previously proposed mathematical models of motion relative to the center of mass, a comprehensive approach has been developed to the joint selection of design parameters, such as the displacement of the center of pressure relative to the center of mass, moments of inertia, as well as to setting requirements for the initial conditions of angular motion to stabilize the CubeSat close to the desired orientation. This approach is used in the creation of CubeSat nanosatellites at Samara University.

малоразмерный космический аппарат стандарта CubeSatаэродинамический моментгравитационный моментпространственный угол атакиугол собственного вращенияпассивная система стабилизацииCubeSat nanosatelliteaerodynamic momentgravitational momentspatial angle of attackproper rotation anglepassive stabilization systemИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-67-10007, https://rscf.ru/project/23-67-10007/.ReferencesPuig-Suari, J., Coelho, R., Williams, S., CubeSat design specification, Rev. 12, CubeSat program, Cal. Poly SLO, 2009.Puig-Suari, J., Coelho, R., Williams, S., CubeSat design specification, Rev. 12, CubeSat program, Cal. Poly SLO, 2009.Puig-Suari, J., Turner, C., Twiggs, R.J., CubeSat: The Development and Launch Support Infrastructure for Eighteen Different Satellite Customers on One Launch, AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2001.Puig-Suari, J., Turner, C., Twiggs, R.J., CubeSat: The Development and Launch Support Infrastructure for Eighteen Different Satellite Customers on One Launch, AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2001.Nanosats Database [Электронный ресурс]. URL: https://www.nanosats.eu/ (дата обращения 11.02.2023).Nanosats Database [Электронный ресурс]. URL: https://www.nanosats.eu/ (дата обращения 11.02.2023).Busch, S., Schilling, K., Reckeweg, F., Bangert, P., Robust Satellite Engineering in Educational Cubesat Missions at the Example of the UWE-3 Project, 19th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, Würzburg, Germany, 2013.Busch, S., Schilling, K., Reckeweg, F., Bangert, P., Robust Satellite Engineering in Educational Cubesat Missions at the Example of the UWE-3 Project, 19th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, Würzburg, Germany, 2013.Hestad, T., Barabash, V., Laufer R., The APTAS student CubeSat Mission: A case study for reflective practitioner in education and student teams, Advances in Space Research, 2023, vol. 72, pp. 2245–2258.Hestad, T., Barabash, V., Laufer R., The APTAS student CubeSat Mission: A case study for reflective practitioner in education and student teams, Advances in Space Research, 2023, vol. 72, pp. 2245–2258.Poghosyan, A., Golkar, A., CubeSat evolution: Analyzing CubeSat capabilities for conducting science missions, Progress in Aerospace Sciences, 2017, vol. 88.Poghosyan, A., Golkar, A., CubeSat evolution: Analyzing CubeSat capabilities for conducting science missions, Progress in Aerospace Sciences, 2017, vol. 88.Villela, T., Costa, C.A., Brandão, A.M., Bueno, F.T., Leonardi, R., Towards the Thousandth CubeSat: A Statistical Overview, International Journal of Aerospace Engineering, 2019, vol. 2019, no 1, pp. 1–13.Villela, T., Costa, C.A., Brandão, A.M., Bueno, F.T., Leonardi, R., Towards the Thousandth CubeSat: A Statistical Overview, International Journal of Aerospace Engineering, 2019, vol. 2019, no 1, pp. 1–13.Zharkikh, R.N., Purikov, A.V., Kuznetsov, V.V., Shubin, M.I., Svinareva A. M., Eletskaya L.L., Construction of wide-purpose space complexes based on the SXC6 platform, AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318.Zharkikh, R.N., Purikov, A.V., Kuznetsov, V.V., Shubin, M.I., Svinareva A. M., Eletskaya L.L., Construction of wide-purpose space complexes based on the SXC6 platform, AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2318.Elshaal A., Okasha M., Sulaeman E., Jallad A.H., Aizat W.F., Alzubaidi A.B., Structural Analysis of AlAinSat-1 CubeSat, The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, 2024, vol. 27. pp. 532–546.Elshaal A., Okasha M., Sulaeman E., Jallad A.H., Aizat W.F., Alzubaidi A.B., Structural Analysis of AlAinSat-1 CubeSat, The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, 2024, vol. 27. pp. 532–546.Selva, D., Krejci, D., A survey and assessment of the capabilities of Cubesats for Earth observation, Acta Astronautica, 2012, vol. 74, pp. 50–68.Selva, D., Krejci, D., A survey and assessment of the capabilities of Cubesats for Earth observation, Acta Astronautica, 2012, vol. 74, pp. 50–68.Новости Роскосмос Норби [Электронный ресурс]. URL: https://www.roscosmos.ru/39444/ (дата обращения 06.08.2024).Новости Роскосмос Норби [Электронный ресурс]. URL: https://www.roscosmos.ru/39444/ (дата обращения 06.08.2024).Kim, G.-N., Park, S.-Y., Lee, T., Kang, D.-E., Jeon, S., Son, J., Kim, N., Park, Y.-K., Song Y., Development of CubeSat systems in formation flying for the solar science demonstration: The CANYVAL-C mission, Advances in Space Research, 2021, vol. 68, pp. 4434–4455.Kim, G.-N., Park, S.-Y., Lee, T., Kang, D.-E., Jeon, S., Son, J., Kim, N., Park, Y.-K., Song Y., Development of CubeSat systems in formation flying for the solar science demonstration: The CANYVAL-C mission, Advances in Space Research, 2021, vol. 68, pp. 4434–4455.Fitzpatrick, D.J., Palo, S.E., Innovative Systems Engineering Solutions for Power-Positive Operations: Navigating the Multi-Constraint Challenges of the SWARM-EX CubeSat Mission, Advances in Space Research, 2024. Available online 26 June 2024.Fitzpatrick, D.J., Palo, S.E., Innovative Systems Engineering Solutions for Power-Positive Operations: Navigating the Multi-Constraint Challenges of the SWARM-EX CubeSat Mission, Advances in Space Research, 2024. Available online 26 June 2024.Chernyshov, A.A., Chugunin, D.V., Mogilevsky, M.M., Petrukovich, A.A., Studies of the ionosphere using radiophysical methods on ultra-small spacecrafts, Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 455–459.Chernyshov, A.A., Chugunin, D.V., Mogilevsky, M.M., Petrukovich, A.A., Studies of the ionosphere using radiophysical methods on ultra-small spacecrafts, Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 455–459.Cornwell, L.T., Burchell, M.J., Wozniakiewicz, P.J., Feasibility of using CubeSats and small detectors for in-situ space debris and cosmic dust flux measurement, Advances in Space Research, 2024. Available online 26 June 2024.Cornwell, L.T., Burchell, M.J., Wozniakiewicz, P.J., Feasibility of using CubeSats and small detectors for in-situ space debris and cosmic dust flux measurement, Advances in Space Research, 2024. Available online 26 June 2024.Pirat, C., Richard-Noca, M., Paccolat, C., Belloni, F., Wiesendanger, R., Courtney, D., Walker, R., Gass, V., Mission design and GNC for In-Orbit Demonstration of Active Debris Removal technologies with CubeSats, Acta Astronautica, 2017, vol. 130, pp. 114–127.Pirat, C., Richard-Noca, M., Paccolat, C., Belloni, F., Wiesendanger, R., Courtney, D., Walker, R., Gass, V., Mission design and GNC for In-Orbit Demonstration of Active Debris Removal technologies with CubeSats, Acta Astronautica, 2017, vol. 130, pp. 114–127.Wu, S., Chen, W., Cao, C., Zhang, C., Mu, Zh., A multiple-CubeSat constellation for integrated earth observation and marine/air traffic monitoring, Advances in Space Research, 2021, vol. 67, pp. 3712–3724.Wu, S., Chen, W., Cao, C., Zhang, C., Mu, Zh., A multiple-CubeSat constellation for integrated earth observation and marine/air traffic monitoring, Advances in Space Research, 2021, vol. 67, pp. 3712–3724.Puig-Suari, J., Turner, C., Ahlgren, W., Development of the standard cubesat deployer and a cubesat class picosatellite, IEEE Aerosp. Conf. Proc., 2001, vol. 1, pp. 1–347.Puig-Suari, J., Turner, C., Ahlgren, W., Development of the standard cubesat deployer and a cubesat class picosatellite, IEEE Aerosp. Conf. Proc., 2001, vol. 1, pp. 1–347.Fine, J., Design, Analysis, Assembly, Integration and Testing of Mechanical Systems for Micro-Satellites and Micro-satellite Separation Systems, University of Toronto, Master’s Theses, 2009.Fine, J., Design, Analysis, Assembly, Integration and Testing of Mechanical Systems for Micro-Satellites and Micro-satellite Separation Systems, University of Toronto, Master’s Theses, 2009.Wen, H., Yue, X., Wang, Zh., Dai, H., Liu, L., Global exponential angular velocity estimation of rigid-body spacecraft from quaternion and vector measurements, Aerospace Science and Technology, 2021, vol. 119, no 107190.Wen, H., Yue, X., Wang, Zh., Dai, H., Liu, L., Global exponential angular velocity estimation of rigid-body spacecraft from quaternion and vector measurements, Aerospace Science and Technology, 2021, vol. 119, no 107190.Guo, J., Zhang, J., Yue, C., Wang, F., Modeling of the CubeSat deployment and initial separation angular velocity estimation, Aerospace Science and Technology, 2019. vol. 95, no 105477.Guo, J., Zhang, J., Yue, C., Wang, F., Modeling of the CubeSat deployment and initial separation angular velocity estimation, Aerospace Science and Technology, 2019. vol. 95, no 105477.Юдинцев В.В. Динамика отделения наноспутника формата кубсат от транспортно-пускового контейнера // Полет. 2015. Т. 8–9. С. 10–15.Юдинцев В.В. Динамика отделения наноспутника формата кубсат от транспортно-пускового контейнера // Полет. 2015. Т. 8–9. С. 10–15.Hakima, H., Bazzocchi, M.C.F., Emami, M.R., A deorbiter CubeSat for active orbital debris removal, Advances in Space Research, 2018, vol. 61, no 9, pp. 2377–2392.Hakima, H., Bazzocchi, M.C.F., Emami, M.R., A deorbiter CubeSat for active orbital debris removal, Advances in Space Research, 2018, vol. 61, no 9, pp. 2377–2392.Monkel, М., Montalvo, С., Spencer, E., Using only two magnetorquers to de-tumble a 2U CubeSAT, Advances in Space Research, 2018, vol. 62, no 11, pp. 3086–3094.Monkel, М., Montalvo, С., Spencer, E., Using only two magnetorquers to de-tumble a 2U CubeSAT, Advances in Space Research, 2018, vol. 62, no 11, pp. 3086–3094.Ovchinnikov, M.Yu., Roldugin, D.S., A survey on active magnetic attitude control algorithms for small satellites, Progress in Aerospace Sciences, 2019, vol. 109, 100546.Ovchinnikov, M.Yu., Roldugin, D.S., A survey on active magnetic attitude control algorithms for small satellites, Progress in Aerospace Sciences, 2019, vol. 109, 100546.Chesi, S., Gong, Q., Romano, M., Satellite attitude control by center-of-mass shifting, Advances in the Astronautical Sciences, 2014, vol. 150, pp. 2575–2594.Chesi, S., Gong, Q., Romano, M., Satellite attitude control by center-of-mass shifting, Advances in the Astronautical Sciences, 2014, vol. 150, pp. 2575–2594.Chesi, S., Gong, Q., Romano, M., Aerodynamic Three-Axis Attitude Stabilization of a Spacecraft by Center-of-Mass Shifting, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2017, vol. 40, no. 7, pp. 1613–1626.Chesi, S., Gong, Q., Romano, M., Aerodynamic Three-Axis Attitude Stabilization of a Spacecraft by Center-of-Mass Shifting, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2017, vol. 40, no. 7, pp. 1613–1626.He, L., Chen, X., Kumar, K. D., Sheng, T., Yue, C., A novel three-axis attitude stabilization method using in-plane internal mass-shifting, Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 92, pp. 489–500.He, L., Chen, X., Kumar, K. D., Sheng, T., Yue, C., A novel three-axis attitude stabilization method using in-plane internal mass-shifting, Aerospace Science and Technology, 2019, vol. 92, pp. 489–500.Psiaki, M.L., Nanosatellite attitude stabilization using passive aerodynamics and active magnetic torquing, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2004, vol. 27, no. 3, pp. 347–355.Psiaki, M.L., Nanosatellite attitude stabilization using passive aerodynamics and active magnetic torquing, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2004, vol. 27, no. 3, pp. 347–355.Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. М.: Наука, 1975.Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. М.: Наука, 1975.Sarychev, V.A., Ovchinnikov, M.Y., Dynamics of a satellite with a passive aerodynamic orientation system, Cosmic Research, 1994, vol. 32, no. 6, pp. 561–575.Sarychev, V.A., Ovchinnikov, M.Y., Dynamics of a satellite with a passive aerodynamic orientation system, Cosmic Research, 1994, vol. 32, no. 6, pp. 561–575.Белоконов И.В., Тимбай И.А., Николаев П.Н. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных космических аппаратов нанокласса формата CubeSat // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. № 3 (102). С. 69–91. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.3.069-091.Белоконов И.В., Тимбай И.А., Николаев П.Н. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных космических аппаратов нанокласса формата CubeSat // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. № 3 (102). С. 69–91. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.3.069-091.Rawashdeh, S., Jones, D., Erb, D., Karam, A., Lumpp, Jr, J.E., Aerodynamic attitude stabilization for a ram-facing CubeSat, Advances in the Astronautical Sciences, 2009, vol. 133, pp. 583–595.Rawashdeh, S., Jones, D., Erb, D., Karam, A., Lumpp, Jr, J.E., Aerodynamic attitude stabilization for a ram-facing CubeSat, Advances in the Astronautical Sciences, 2009, vol. 133, pp. 583–595.Rawashdeh, S.A., Lumpp, J.E., Aerodynamic Stability for CubeSats at ISS Orbit, Journal of Small Satellites, 2013, vol. 2, no. 1, pp. 85–104.Rawashdeh, S.A., Lumpp, J.E., Aerodynamic Stability for CubeSats at ISS Orbit, Journal of Small Satellites, 2013, vol. 2, no. 1, pp. 85–104.Rawashdeh, S.A., Attitude analysis of small satellites using model-based simulation, International Journal of Aerospace Engineering, 2019, vol. 2019.Rawashdeh, S.A., Attitude analysis of small satellites using model-based simulation, International Journal of Aerospace Engineering, 2019, vol. 2019.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика осесимметричного спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов // Космические исследования. 2012. Т. 50. №5. С. 394–402.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика осесимметричного спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов // Космические исследования. 2012. Т. 50. №5. С. 394–402.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Исследование положений равновесия // Космические исследования. 2015. Т. 53. №6. С. 488–498.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Исследование положений равновесия // Космические исследования. 2015. Т. 53. №6. С. 488–498.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Исследование устойчивости положений равновесия // Космические исследования. 2016. Т. 54. № 5. С. 415–426.Сарычев В.А., Гутник С.А. Динамика спутника под действием гравитационного и аэродинамического моментов. Исследование устойчивости положений равновесия // Космические исследования. 2016. Т. 54. № 5. С. 415–426.Barinova, E.V., Timbai, I.A., Determining of Equilibrium Positions of CubeSat Nanosatellite under the Influence of Aerodynamic and Gravitational Moments, 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020 – Proceedings, St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, 2020.Barinova, E.V., Timbai, I.A., Determining of Equilibrium Positions of CubeSat Nanosatellite under the Influence of Aerodynamic and Gravitational Moments, 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020 – Proceedings, St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, 2020.Barinova, E.V., Timbai, I.A., Study of Relative Equilibrium Positions of a Dynamically Symmetric Cubesat Nanosatellite under Aerodynamic and Gravitational Moments, 26th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2019 – Proceedings, St. Petersburg, 2019.Barinova, E.V., Timbai, I.A., Study of Relative Equilibrium Positions of a Dynamically Symmetric Cubesat Nanosatellite under Aerodynamic and Gravitational Moments, 26th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2019 – Proceedings, St. Petersburg, 2019.Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. Предотвращение возможности возникновения резонансных режимов движения для низковысотных спутников класса CUBESAT // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4 (115). С. 1–19.Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. Предотвращение возможности возникновения резонансных режимов движения для низковысотных спутников класса CUBESAT // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4 (115). С. 1–19.Белоконов И.В., Тимбай И.А., Баринова Е.В. Выбор проектных параметров наноспутника формата CubeSat с пассивной системой стабилизации // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. №1. С. 81–100.Белоконов И.В., Тимбай И.А., Баринова Е.В. Выбор проектных параметров наноспутника формата CubeSat с пассивной системой стабилизации // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. №1. С. 81–100.Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. Выбор проектных параметров наноспутников формата CubeSat 6U для обеспечения пассивной трехосной стабилизации // Космическая техника и технологии. 2024. Т. 45. № 2. С. 20–36.Баринова Е.В., Белоконов И.В., Тимбай И.А. Выбор проектных параметров наноспутников формата CubeSat 6U для обеспечения пассивной трехосной стабилизации // Космическая техника и технологии. 2024. Т. 45. № 2. С. 20–36.Васин П.В., Баринова Е.В. Методика определения погрешности стенда измерения масс-центровочных и инерционных характеристик наноспутников с помощью эталонных объектов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. № 3. С. 7–22.Васин П.В., Баринова Е.В. Методика определения погрешности стенда измерения масс-центровочных и инерционных характеристик наноспутников с помощью эталонных объектов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. № 3. С. 7–22.Белоконов И.В., Баринова Е.В., Ключник В.Н., Ивлиев А.В., Болтов Е.А. Технология и способ экспериментального определения масс-центровочных и инерционных характеристик наноспутников формата CUBESAT // Космическая техника и технологии. 2021. Т. 34. № 3. С. 83–95.Белоконов И.В., Баринова Е.В., Ключник В.Н., Ивлиев А.В., Болтов Е.А. Технология и способ экспериментального определения масс-центровочных и инерционных характеристик наноспутников формата CUBESAT // Космическая техника и технологии. 2021. Т. 34. № 3. С. 83–95.Васин П.В., Баринова Е.В. Алгоритм определения масс-центровочных и инерционных характеристик опытного образца наноспутника SamSat-ION в летной конфигурации // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2023. № 2. С. 26–34.Васин П.В., Баринова Е.В. Алгоритм определения масс-центровочных и инерционных характеристик опытного образца наноспутника SamSat-ION в летной конфигурации // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2023. № 2. С. 26–34.Новости Роскосмос Универсат [Электронный ресурс]. URL: http://www.roscosmos.ru/39352/ (дата обращения 17.09.2024).Новости Роскосмос Универсат [Электронный ресурс]. URL: http://www.roscosmos.ru/39352/ (дата обращения 17.09.2024).ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. Введ. 1981-02-27. М.: Изд-во стандартов, 1981.ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. Введ. 1981-02-27. М.: Изд-во стандартов, 1981.ГОСТ 25645.101-83. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных баллистических расчетов искусственных спутников Земли. М.: Изд-во стандартов, 1983.ГОСТ 25645.101-83. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных баллистических расчетов искусственных спутников Земли. М.: Изд-во стандартов, 1983.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.