gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»FBUMKZgyroscopy-97Research ArticleСтатьиБортовой двухэтапный алгоритм определения ориентации наноспутника SamSat-IONOnboard Two-Step Attitude Determination Algorithm for a SamSat-ION Nanosatellitehttps://orcid.org/0000-0002-7099-4966КрамлихА. B.KramlikhA. V.

Крамлих Андрей Васильевич – кандидат технических наук, доцент межвузовской кафедры космических исследований, член секции молодых ученых международной общественной организации «Академия навигации и управления движением»

Самара

Samara

https://orcid.org/0000-0002-2210-5546НиколаевП. Н.NikolaevP. N.

Николаев Петр Николаевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, НИЛ «Перспективные фундаментальные и прикладные космические исследования на базе наноспутников»

Самара

Samara

РылькоД. В.RylkoD. V.

Рылько Дмитрий Владимирович  – инженер

Раменское

 

Ramenskoye

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролёваРоссияSamara UniversityRussian FederationАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»РоссияRamenskoye Design CompanyRussian Federation2023190520253126585Copyright © Крамлих А.B., Николаев П.Н., Рылько Д.В., 20252025Крамлих А.B., Николаев П.Н., Рылько Д.В.Kramlikh A.V., Nikolaev P.N., Rylko D.V.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/97

В статье описывается состав измерительных средств (магнитометры и датчики освещенности), а также особенности структуры алгоритмического обеспечения для определения ориентации наноспутника SamSat-ION. В качестве основного алгоритма предложен фильтр Калмана, использующий только магнитометрические измерения, а в качестве вспомогательного, обеспечивающего априорную оценку кватерниона, которая поступает на вход фильтра Калмана, – алгоритм QUEST. Выполнено моделирование работы двухэтапного алгоритма, сделаны выводы о его эффективности.

The paper describes the measuring aids (magnetometers and light sensors) and attitude determination algorithms of SamSat-ION nanosatellite. The Kalman filter based on magnetometer measurements only is used as a basic algorithm, and the auxiliary QUEST algorithm provides a priori estimation of the quaternion input to the Kalman filter. The two-step algorithm simulation has been performed, and its efficiency has been verified.

наноспутник SamSat-IONопределение ориентациифильтр Калманабортовой алгоритмSamSat-ION nanosatelliteattitude determinationKalman filteronboard algorithmРабота выполнена в рамках проекта 0777-2020-0018, финансируемого из средств государственного задания победителям конкурса научных лабораторий образовательных организаций высшего образования, подведомственных Минобрнауки РФ.ReferencesОвчинников М.Ю., Ролдугин Д.С. Современные алгоритмы активной магнитной ориентации наноспутников // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3. №2. С. 73–86.Овчинников М.Ю., Ролдугин Д.С. Современные алгоритмы активной магнитной ориентации наноспутников // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3. №2. С. 73–86.Ovchinnikov, M.Yu., Roldugin, D.S., Tkachev, S.S., Penkov, V.I., B-dot algorithm steady-state motion performance, Acta Astronautica, 2018, vol. 146, pp. 66–72.Ovchinnikov, M.Yu., Roldugin, D.S., Tkachev, S.S., Penkov, V.I., B-dot algorithm steady-state motion performance, Acta Astronautica, 2018, vol. 146, pp. 66–72.Hajiyev, H., Guler, D.C., Review on gyroless attitude determination methods for small satellites, Progress in Aerospace Sciences, 2017, vol. 90., pp. 54–66.Hajiyev, H., Guler, D.C., Review on gyroless attitude determination methods for small satellites, Progress in Aerospace Sciences, 2017, vol. 90., pp. 54–66.Martel, F., Psiaki, Pal, M., Three Axis Attitude Determination via Kalman Filtering of Magnetometer Data, Proceedings of Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1988, pp. 345–367.Martel, F., Psiaki, Pal, M., Three Axis Attitude Determination via Kalman Filtering of Magnetometer Data, Proceedings of Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1988, pp. 345–367.Psiaki, M.L., Three-Axis Attitude Determination via Kalman Filtering of Magnetometer Data, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1990, vol. 13, No. 3, pp. 506–514.Psiaki, M.L., Three-Axis Attitude Determination via Kalman Filtering of Magnetometer Data, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1990, vol. 13, No. 3, pp. 506–514.Овчинников М.Ю., Пеньков В.И., Ролдугин Д.С., Иванов Д.С. Магнитные системы ориентации малых спутников. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2016. 366 с.Овчинников М.Ю., Пеньков В.И., Ролдугин Д.С., Иванов Д.С. Магнитные системы ориентации малых спутников. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2016. 366 с.Abdelrahman, M., Park, S.-Y., Simultaneous spacecraft attitude and orbit estimation using magnetic field vector measurements, Aerospace Science and Technology, 2011, vol. 15, no.8, рр. 653–669.Abdelrahman, M., Park, S.-Y., Simultaneous spacecraft attitude and orbit estimation using magnetic field vector measurements, Aerospace Science and Technology, 2011, vol. 15, no.8, рр. 653–669.Searcy, J.D., Magnetometer-only attitude determination with application to the M-SAT mission, Masters Theses Scholars’ Mine, 2011., №6892, 108 p.Searcy, J.D., Magnetometer-only attitude determination with application to the M-SAT mission, Masters Theses Scholars’ Mine, 2011., №6892, 108 p.Searcy, J.D., Magnetometer-Only Attitude Determination Using Novel Two-Step Kalman Filter Approach, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2012, Vol. 35, No. 6, pp. 1693–1701.Searcy, J.D., Magnetometer-Only Attitude Determination Using Novel Two-Step Kalman Filter Approach, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2012, Vol. 35, No. 6, pp. 1693–1701.Иванов Д.С. Использование магнитных катушек и магнитометра для обеспечения трехосной ориентации спутника // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2015. №47. 20 с.Иванов Д.С. Использование магнитных катушек и магнитометра для обеспечения трехосной ориентации спутника // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2015. №47. 20 с.Ivanov, D.S., Advanced numerical study of the three-axis magnetic attitude control and determination with uncertainties, Acta Astronautica, 2017, 132, pp. 103–110.Ivanov, D.S., Advanced numerical study of the three-axis magnetic attitude control and determination with uncertainties, Acta Astronautica, 2017, 132, pp. 103–110.Ivanov, D., Attitude motion and sensor bias estimation onboard the SiriusSat-1 nanosatellite using magnetometer only, Acta Astronautica, 2021, 188, pp. 295–307.Ivanov, D., Attitude motion and sensor bias estimation onboard the SiriusSat-1 nanosatellite using magnetometer only, Acta Astronautica, 2021, 188, pp. 295–307.Natanson, G.A., McLaughlin, S.F., Nicklas, R.C., A Method of Determining Attitude from Magnetometer Data Only, Proceedings of Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1990, pp. 359–378.Natanson, G.A., McLaughlin, S.F., Nicklas, R.C., A Method of Determining Attitude from Magnetometer Data Only, Proceedings of Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1990, pp. 359–378.Natanson, G.A., A Deterministic Method for Estimating Attitude from Only Magnetometer Data, Proceedings of the World Space Congress, 1992, no. IAF-92-0036, 13 p.Natanson, G.A., A Deterministic Method for Estimating Attitude from Only Magnetometer Data, Proceedings of the World Space Congress, 1992, no. IAF-92-0036, 13 p.Natanson, G.A., Challa, M.S., Deutschmann J., Baker D.F., Magnetometer-Only Attitude and Rate Determination for Gyroless Spacecraft, Proceedings of the Third International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems, 1994, pp. 791–798.Natanson, G.A., Challa, M.S., Deutschmann J., Baker D.F., Magnetometer-Only Attitude and Rate Determination for Gyroless Spacecraft, Proceedings of the Third International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems, 1994, pp. 791–798.Challa, M., Natanson, G., Deutschmann, J., Galal K., A PC-Based Magnetometer-Only Attitude and Rate Determination System for Gyroless Spacecraft, Proceedings of the Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1995, pp. 83–96.Challa, M., Natanson, G., Deutschmann, J., Galal K., A PC-Based Magnetometer-Only Attitude and Rate Determination System for Gyroless Spacecraft, Proceedings of the Flight Mechanics/Estimation Theory Symposium, 1995, pp. 83–96.Carletta, S., Teofilatto, P., Design and Numerical Validation of an Algorithm for the Detumbling and Angular Rate Determination of a CubeSat Using Only Three-Axis Magnetometer Data, Hindawi International Journal of Aerospace Engineering, 2018, 12 p.Carletta, S., Teofilatto, P., Design and Numerical Validation of an Algorithm for the Detumbling and Angular Rate Determination of a CubeSat Using Only Three-Axis Magnetometer Data, Hindawi International Journal of Aerospace Engineering, 2018, 12 p.Carletta, S., Teofi P., Farissi, M.S., A Magnetometer-Only Attitude Determination Strategy for Small Satellites: Design of the Algorithm and Hardware-in-the-Loop Testing, MDPI Aerospace, 2020, 21 p.Carletta, S., Teofi P., Farissi, M.S., A Magnetometer-Only Attitude Determination Strategy for Small Satellites: Design of the Algorithm and Hardware-in-the-Loop Testing, MDPI Aerospace, 2020, 21 p.MEMSIC MMC5883MA ±8 Gauss, High Performance, Low Cost 3-axis Magnetic Sensor: Datasheet, Rev. C, 2017.MEMSIC MMC5883MA ±8 Gauss, High Performance, Low Cost 3-axis Magnetic Sensor: Datasheet, Rev. C, 2017.TAOS TCS3472 Color Light-to-Digital Converter with IR Filter: Datasheet, 2012.TAOS TCS3472 Color Light-to-Digital Converter with IR Filter: Datasheet, 2012.Riwanto, B.A., CubeSat Attitude System Calibration and Testing, Department of Electrical Engineering and Automation, 2015, 94 p.Riwanto, B.A., CubeSat Attitude System Calibration and Testing, Department of Electrical Engineering and Automation, 2015, 94 p.Analog devices. [Электронный ресурс]. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADPD2140.pdf (дата обращения 01.02.2022)Analog devices. [Электронный ресурс]. URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADPD2140.pdf (дата обращения 01.02.2022)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. DOI 10.17285/0869-7035.0076.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. DOI 10.17285/0869-7035.0076.Yaguang Yang, Spacecraft Modeling, Attitude Determination, and Control: Quaternion-Based Approach, CRC Press Taylor & Francis Group, 2019, 340 p.Yaguang Yang, Spacecraft Modeling, Attitude Determination, and Control: Quaternion-Based Approach, CRC Press Taylor & Francis Group, 2019, 340 p.Shuster, M. D., Oh, S.D., Three-Axis Attitude Determination from Vector Observations, Journal of Guidance and Control, 1981, vol. 4, no. 1, pp. 70–77.Shuster, M. D., Oh, S.D., Three-Axis Attitude Determination from Vector Observations, Journal of Guidance and Control, 1981, vol. 4, no. 1, pp. 70–77.Cheng, Y., Shuster, M.D., An Improvement to the QUEST Algorithm, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2014, vol. 37, no. 1, pp. 301–305.Cheng, Y., Shuster, M.D., An Improvement to the QUEST Algorithm, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2014, vol. 37, no. 1, pp. 301–305.Davis, J., Mathematical Modeling of Earth’s Magnetic Field, Technical Note, Virginia Tech, Blacksburg. 2004. 21 p.Davis, J., Mathematical Modeling of Earth’s Magnetic Field, Technical Note, Virginia Tech, Blacksburg. 2004. 21 p.Иванов Д.С., Карпенко С.О., Овчинников М.Ю., Алгоритм оценки параметров ориентации малого космического аппарата с использованием фильтра Калмана // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2009. №48. 32 с.Иванов Д.С., Карпенко С.О., Овчинников М.Ю., Алгоритм оценки параметров ориентации малого космического аппарата с использованием фильтра Калмана // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2009. №48. 32 с.Ivanov, D., Ovchinnikov, M., Ivlev, N., Karpenko, S., Analytical study of microsatellite attitude determination algorithms, Acta Astronautica, 2015, 116, pp. 339–348.Ivanov, D., Ovchinnikov, M., Ivlev, N., Karpenko, S., Analytical study of microsatellite attitude determination algorithms, Acta Astronautica, 2015, 116, pp. 339–348.Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. 509 с.Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. 509 с.Liu, Y., Liu, K., Li, Y., Pan, Q., A Ground Testing System for Magnetic-only ADCS of Nano-Satellites, Proceedings of 2016 IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference, 2016, pp. 1644–1647.Liu, Y., Liu, K., Li, Y., Pan, Q., A Ground Testing System for Magnetic-only ADCS of Nano-Satellites, Proceedings of 2016 IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference, 2016, pp. 1644–1647.

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