gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»WUENOLgyroscopy-83Research ArticleСтатьиКалибровка бортовых магнитометрических датчиков системы ориентации университетского наноспутника SamSat-IONCalibration of Onboard Magnetometers of the Attitude Control System of the SamSat-ION University NanosatelliteНиколаевП. Н.NikolaevP. N.

Петр Николаевич Николаев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий инженер

межвузовская кафедра космических исследований

Самара; Москва

Samara; Moscow

Эспиноза ВаллесА. С.Espinoza VallesA. S.

Ангело Сальватор Эспиноза Валлес, магистрант, инженер-программист

межвузовская кафедра космических исследований

Самара

Samara

ЩербаковМ. С.ShcherbakovM. S.

Михаил Сергеевич Щербаков, младший научный сотрудник, ведущий инженер

межвузовская кафедра космических исследований

Самара; Москва

Samara; Moscow

СоболевД. Д.SobolevD. D.

Дмитрий Денисович Соболев, инженер-программист

Дубна

Dubna

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева; Институт космических исследований РАНРоссияS.P. Korolev Samara National Research University (Samara University); Space Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваРоссияS.P. Korolev Samara National Research University (Samara UniversityRussian FederationАСУ ТП 3, АО «Промтех-Дубна»РоссияPromtekh DubnaRussian Federation202319052025313109121Copyright © Николаев П.Н., Эспиноза Валлес А.С., Щербаков М.С., Соболев Д.Д., 20252025Николаев П.Н., Эспиноза Валлес А.С., Щербаков М.С., Соболев Д.Д.Nikolaev P.N., Espinoza Valles A.S., Shcherbakov M.S., Sobolev D.D.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/83

   В статье описывается калибровка магнитометрических датчиков системы ориентации университетского наноспутника SamSat-ION. Для учета температурного ухода показаний датчиков предложена методика калибровки, согласно которой измерения проводятся в двенадцати статичных положениях с последовательными охлаждением и нагревом в диапазоне температур от –10 до +50°. На основе полученных данных вычисляются оценки параметров температурной зависимости коэффициентов смещения нуля, масштабирования, неортогональности осей датчиков магнитометров. Приведены основные результаты наземных испытаний бортовых систем наноспутника SamSat-ION с использованием предложенной методики. Подтверждена работоспособность бортовых систем во время и после калибровки в условиях температурного перепада. Учет параметров, полученных при воздействии на датчики различных температурных градиентов, до двенадцати раз уменьшает погрешность измерений. Это позволяет обеспечить надежную работу системы ориентации и стабилизации наноспутников, в состав которых входят магнитометры.

   This work is focused on the calibration of magnetometers for the attitude control system of the SamSat-ION university nanosatellite. A calibration methodology is proposed to take into account the temperature drift of the sensors readings. Measurements are carried out in twelve static positions, with sequential cooling and heating in the temperature range from –10 to +50°С, and are used to calculate the estimates of the temperature dependences of the bias, scale factor, and nonorthogonalities of the magnetometer axes. The main results of the ground tests of the SamSat-ION flight and engineering onboard systems obtained in accordance with the proposed methodology are discussed. The operability of the onboard systems during and after calibration under temperature variations (rise and drop) has been confirmed. Taking into account the found parameters, affected by various temperature gradients, decreases the measurement error about twelve-fold, which makes it possible to ensure reliable operation of the attitude control and stabilization system of nanosatellites based on the use of magnetometers.

методика температурной калибровкимагнитометрысистема управления движениемуниверситетский наноспутникtemperature calibrationmagnetometersattitude control systemuniversity nanosatelliteИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-72-30002, https://rscf.ru/project/23-72-30002The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation No. 23-72-30002, https://rscf.ru/project/23-72-30002ReferencesOvchinnikov, M. et al., Attitude control system for the first swedish nanosatellite “MUNIN”, Acta Astronaut. Pergamon, 2000, vol. 46, no. 2–6, pp. 319–326.Ovchinnikov, M. et al., Attitude control system for the first swedish nanosatellite “MUNIN”, Acta Astronaut. Pergamon, 2000, vol. 46, no. 2–6, pp. 319–326.Guelman, M. et al., Design and testing of magnetic controllers for Satellite stabilization, Acta Astronaut. Pergamon, 2005, vol. 56, no. 1–2, pp. 231–239.Guelman, M. et al., Design and testing of magnetic controllers for Satellite stabilization, Acta Astronaut. Pergamon, 2005, vol. 56, no. 1–2, pp. 231–239.Renaudin, V., Afzal, M.H., Lachapelle, G., New method for magnetometers based orientation estimation, Record – IEEE PLANS, Position Location and Navigation Symposium, 2010, pp. 348–356.Renaudin, V., Afzal, M.H., Lachapelle, G., New method for magnetometers based orientation estimation, Record – IEEE PLANS, Position Location and Navigation Symposium, 2010, pp. 348–356.Psiaki, M.L., Nanosatellite Attitude Stabilization Using Passive Aerodynamics and Active Magnetic Torquing, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 2012, vol. 27, no. 3, pp. 347–355, doi: 10.2514/1.1993.Psiaki, M.L., Nanosatellite Attitude Stabilization Using Passive Aerodynamics and Active Magnetic Torquing, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 2012, vol. 27, no. 3, pp. 347–355, doi: 10.2514/1.1993.Fish, C.S. et al., Design, development, implementation, and on-orbit performance of the dynamic ionosphere cubesat experiment mission, Space Sci Rev. Springer Netherlands, 2014, vol. 181, no. 1–4, pp. 61–120.Fish, C.S. et al., Design, development, implementation, and on-orbit performance of the dynamic ionosphere cubesat experiment mission, Space Sci Rev. Springer Netherlands, 2014, vol. 181, no. 1–4, pp. 61–120.Beravs, T. et al., Magnetometer calibration using Kalman filter covariance matrix for online estimation of magnetic field orientation, IEEE Trans Instrum Meas. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2014, vol. 63, no. 8, pp. 2013–2020.Beravs, T. et al., Magnetometer calibration using Kalman filter covariance matrix for online estimation of magnetic field orientation, IEEE Trans Instrum Meas. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2014, vol. 63, no. 8, pp. 2013–2020.Melnik, M., On-board Algorithm for Nanosatellite Orientation and Stabilization System, Procedia Eng. No longer published by Elsevier, 2015, vol. 104, pp. 57–64.Melnik, M., On-board Algorithm for Nanosatellite Orientation and Stabilization System, Procedia Eng. No longer published by Elsevier, 2015, vol. 104, pp. 57–64.Haryadi, D.R. et al., Design of attitude determination and control system using microstrip magnetorquer for nanosatellite, ICCEREC 2016 – International Conference on Control, Electronics, Renewable Energy, and Communications 2016, Conference Proceedings, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017, pp. 65–69.Haryadi, D.R. et al., Design of attitude determination and control system using microstrip magnetorquer for nanosatellite, ICCEREC 2016 – International Conference on Control, Electronics, Renewable Energy, and Communications 2016, Conference Proceedings, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017, pp. 65–69.Tolegenova, A. et al., Selection of parameters for CubeSat nano-satellite stabilization magnetic system, International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2017 – Proceedings, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017.Tolegenova, A. et al., Selection of parameters for CubeSat nano-satellite stabilization magnetic system, International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2017 – Proceedings, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017.Markley, F.L., Mortari, D., Quaternion Attitude Estimation Using Vector Observations, The Journal of the Astronautical Sciences, 2000, 48:2, Springer, 2020, vol. 48, no. 2, pp. 359–380.Markley, F.L., Mortari, D., Quaternion Attitude Estimation Using Vector Observations, The Journal of the Astronautical Sciences, 2000, 48:2, Springer, 2020, vol. 48, no. 2, pp. 359–380.Tossman, B.E. et al., Magsat attitude control system design and performance, AIAA Paper. AIAA (CP805), 1980, pp. 95–104.Tossman, B.E. et al., Magsat attitude control system design and performance, AIAA Paper. AIAA (CP805), 1980, pp. 95–104.Theil, S., Appel, P., Schleicher, A., Low Cost, Good Accuracy – Attitude Determination using Magnetometer and Simple Sun Sensor, Small Satellite Conference, 2003.Theil, S., Appel, P., Schleicher, A., Low Cost, Good Accuracy – Attitude Determination using Magnetometer and Simple Sun Sensor, Small Satellite Conference, 2003.Ni, S., Zhang, C., Attitude Determination of Nano Satellite Based on Gyroscope, Sun Sensor and Magnetometer, Procedia Eng. No longer published by Elsevier, 2011, vol. 15, pp. 959–963.Ni, S., Zhang, C., Attitude Determination of Nano Satellite Based on Gyroscope, Sun Sensor and Magnetometer, Procedia Eng. No longer published by Elsevier, 2011, vol. 15, pp. 959–963.Finance, A. et al., In-Orbit Attitude Determination of the UVSQ-SAT CubeSat Using TRIAD and MEKF Methods, Sensors (Basel), 2021, vol. 21, no. 21.Finance, A. et al., In-Orbit Attitude Determination of the UVSQ-SAT CubeSat Using TRIAD and MEKF Methods, Sensors (Basel), 2021, vol. 21, no. 21.Лавойе Ф., Ли Д., Ландри Р. Разработка интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы, построенной на датчиках MEMS // Гироскопия и навигация. 2009. Т. 64. № 1. C. 75–85.Лавойе Ф., Ли Д., Ландри Р. Разработка интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы, построенной на датчиках MEMS // Гироскопия и навигация. 2009. Т. 64. № 1. C. 75–85.Аль Битар Н., Гаврилов А.И. Сравнительный анализ алгоритмов комплексирования в слабосвязанной инерциально-спутниковой системе на основе обработки реальных данных // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27, № 3 (106). C. 31–52.Аль Битар Н., Гаврилов А.И. Сравнительный анализ алгоритмов комплексирования в слабосвязанной инерциально-спутниковой системе на основе обработки реальных данных // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27, № 3 (106). C. 31–52.Kramlikh, A., Nikolaev, P., Rylko, D., Implementation Features of Attitude Determination Algorithm for the SamSat-ION Nanosatellite, 29<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), IEEE, 2022, pp. 1–4.Kramlikh, A., Nikolaev, P., Rylko, D., Implementation Features of Attitude Determination Algorithm for the SamSat-ION Nanosatellite, 29<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), IEEE, 2022, pp. 1–4.Boussadia, H. et al., A combined configuration (αβ filter-TRIAD algorithm) for spacecraft attitude estimation based on in-Orbit Flight Data, Aerospace Systems. Springer Science and Business Media B.V., 2022, vol. 5, no. 2, pp. 223–232.Boussadia, H. et al., A combined configuration (αβ filter-TRIAD algorithm) for spacecraft attitude estimation based on in-Orbit Flight Data, Aerospace Systems. Springer Science and Business Media B.V., 2022, vol. 5, no. 2, pp. 223–232.Петрищев М.С., Мусалимов В.М. Микромеханический магнитометр и моделирование динамики его чувствительного элемента // Гироскопия и навигация. 2006. № 2 (53). С. 90–91.Петрищев М.С., Мусалимов В.М. Микромеханический магнитометр и моделирование динамики его чувствительного элемента // Гироскопия и навигация. 2006. № 2 (53). С. 90–91.Грановский В.А., Скалон А.И. Метрологическая проблема микроэлектромеханических систем и методологические основы ее решения // Гироскопия и навигация. 2006. № 4 (55). С. 117–118.Грановский В.А., Скалон А.И. Метрологическая проблема микроэлектромеханических систем и методологические основы ее решения // Гироскопия и навигация. 2006. № 4 (55). С. 117–118.Babaee, M., Sharifian, S., Calibration of Triaxial Magnetometers for IoT Applications Using Meta-heuristic Methods, 4<sup>th</sup> Iranian Conference on Signal Processing and Intelligent Systems (ICSPIS), IEEE, 2018, pp. 95–99.Babaee, M., Sharifian, S., Calibration of Triaxial Magnetometers for IoT Applications Using Meta-heuristic Methods, 4<sup>th</sup> Iranian Conference on Signal Processing and Intelligent Systems (ICSPIS), IEEE, 2018, pp. 95–99.Kramlikh, A.V., Melnik, M.E., On-board algorithm for SamSat-218D nanosatellite orientation and stabilization system, Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, 2016, vol. 15, no. 2, pp. 50–56.Kramlikh, A.V., Melnik, M.E., On-board algorithm for SamSat-218D nanosatellite orientation and stabilization system, Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, 2016, vol. 15, no. 2, pp. 50–56.Kramlikh, A.V., Lomaka, I.A., Nikolaev, P.N., Damping control system design for SamSat nanosatellite platform, IOP Conf Ser Mater Sci Eng., 2020, vol. 862, no. 2, pp. 022065.Kramlikh, A.V., Lomaka, I.A., Nikolaev, P.N., Damping control system design for SamSat nanosatellite platform, IOP Conf Ser Mater Sci Eng., 2020, vol. 862, no. 2, pp. 022065.Сокен Х.Э., Гаджиев Ч. Калибровка датчиков угловой ориентации пикоспутников в полете // Гироскопия и навигация. 2011. № 3 (74). С. 34–45.Сокен Х.Э., Гаджиев Ч. Калибровка датчиков угловой ориентации пикоспутников в полете // Гироскопия и навигация. 2011. № 3 (74). С. 34–45.Иванов Д.С., Ткачев С.С., Карпенко С.О., Овчинников М.Ю. Калибровка датчиков для определения ориентации малого космического аппарата // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2010. № 28. С. 1–30.Иванов Д.С., Ткачев С.С., Карпенко С.О., Овчинников М.Ю. Калибровка датчиков для определения ориентации малого космического аппарата // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2010. № 28. С. 1–30.Bogatyrev, A.M., Lomaka, I.A., Nikolayev, P.N., Technology for calibration of measuring instruments of samsat nanosatellites’ family, 24<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2017 – Proceedings. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017.Bogatyrev, A.M., Lomaka, I.A., Nikolayev, P.N., Technology for calibration of measuring instruments of samsat nanosatellites’ family, 24<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2017 – Proceedings. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017.Akimov, I.O. et al., Magnetometer calibration technique for the ground-based stage of spacecraft system diagnostics, Engineering Journal: Science and Innovation, Bauman Moscow State Technical University, 2018, no. 78.Akimov, I.O. et al., Magnetometer calibration technique for the ground-based stage of spacecraft system diagnostics, Engineering Journal: Science and Innovation, Bauman Moscow State Technical University, 2018, no. 78.Niu, X. et al., Fast Thermal Calibration of Low-Grade Inertial Sensors and Inertial Measurement Units, Sensors, 2013, vol. 13, pp. 12192–12217.Niu, X. et al., Fast Thermal Calibration of Low-Grade Inertial Sensors and Inertial Measurement Units, Sensors, 2013, vol. 13, pp. 12192–12217.Галка А.Г., Костров А.В., Малышев М.С. Резонансный метод измерения концентрации ионосферной плазмы на микроспутниках // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. № 1. С. 81.Галка А.Г., Костров А.В., Малышев М.С. Резонансный метод измерения концентрации ионосферной плазмы на микроспутниках // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. № 1. С. 81.Kramlikh, A.V., Lomaka, I.A., Shafran, S.V., Estimation Method for Nanosatellite Orbital Parameters in Case of Abnormal Operation of Navigation Equipment, 27<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020 – Proceedings. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020.Kramlikh, A.V., Lomaka, I.A., Shafran, S.V., Estimation Method for Nanosatellite Orbital Parameters in Case of Abnormal Operation of Navigation Equipment, 27<sup>th</sup> Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020 – Proceedings. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020.Nikolaev, P.N., Kudryavtsev, I.A., Shafran, S.V., Requirements for nanosatellite-mounted GNSS-based instrument measuring ionospheric total electron content, IOP Conf Ser Mater Sci Eng. IOP Publishing, 2020, vol. 984, no. 1, p. 012022.Nikolaev, P.N., Kudryavtsev, I.A., Shafran, S.V., Requirements for nanosatellite-mounted GNSS-based instrument measuring ionospheric total electron content, IOP Conf Ser Mater Sci Eng. IOP Publishing, 2020, vol. 984, no. 1, p. 012022.Leonov, A.I., Nikolaev, P.N., Providing Nanosatellite Triaxial Gravitational Orientation Using Magnetic Actuators, IOP Conf Ser Mater Sci Eng. IOP Publishing, 2022, vol. 1215, no. 1, p. 012005.Leonov, A.I., Nikolaev, P.N., Providing Nanosatellite Triaxial Gravitational Orientation Using Magnetic Actuators, IOP Conf Ser Mater Sci Eng. IOP Publishing, 2022, vol. 1215, no. 1, p. 012005.Борисов А. Современные AMP датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей // Компоненты и Технологии. 2006. № 60.Борисов А. Современные AMP датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей // Компоненты и Технологии. 2006. № 60.Crescentini, M., Syeda, S.F., Gibiino, G.P., Hall-Effect Current Sensors: Principles of Operation and Implementation Techniques, IEEE Sens J. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2022, vol. 22, no. 11, pp. 10137–10151.Crescentini, M., Syeda, S.F., Gibiino, G.P., Hall-Effect Current Sensors: Principles of Operation and Implementation Techniques, IEEE Sens J. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2022, vol. 22, no. 11, pp. 10137–10151.InvenSense. MPU-9255 Product Specification, DS-000007.InvenSense. MPU-9255 Product Specification, DS-000007.MEMSIC. ±8Gauss, High Performance, Low Cost 3-axis Magnetic Sensor, MMC5883MA Rev. B data-sheet.MEMSIC. ±8Gauss, High Performance, Low Cost 3-axis Magnetic Sensor, MMC5883MA Rev. B data-sheet.Calibrating an eCompass in the Presence of Hard- and Soft-Iron Interference, Freescale Semi-conductor Application Note, AN4246 Rev. 4.0, 11/2015.Calibrating an eCompass in the Presence of Hard- and Soft-Iron Interference, Freescale Semi-conductor Application Note, AN4246 Rev. 4.0, 11/2015.Li, Q., Griffiths, J.G., Least squares ellipsoid specific fitting, Proceedings – Geometric Modeling and Processing, 2004, pp. 335–340.Li, Q., Griffiths, J.G., Least squares ellipsoid specific fitting, Proceedings – Geometric Modeling and Processing, 2004, pp. 335–340.Kok, M. et al., Calibration of a magnetometer in combination with inertial sensors, 2012, pp. 787–793.Kok, M. et al., Calibration of a magnetometer in combination with inertial sensors, 2012, pp. 787–793.Отраслевая научно-исследовательская лаборатория №1 «Вибрационная прочность и надежность авиационных изделий». [Электронный ресурс]. URL: http://onil1.ru/ (дата обращения: 31. 07. 2022).Отраслевая научно-исследовательская лаборатория №1 «Вибрационная прочность и надежность авиационных изделий». [Электронный ресурс]. URL: http://onil1.ru/ (дата обращения: 31. 07. 2022).Alken, P., Thébault, E., Beggan, C.D. et al., International Geomagnetic Reference Field: the 13<sup>th</sup> generation // Earth Planets Space, 2021, vol. 73, no. 49.Alken, P., Thébault, E., Beggan, C.D. et al., International Geomagnetic Reference Field: the 13<sup>th</sup> generation // Earth Planets Space, 2021, vol. 73, no. 49.

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