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고기동 인공위성의 해석적 자세명령생성 기법 연구
Analytical Solution for Attitude Command Generation of Agile Spacecraft 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.8, 2018년, pp.639 - 651  

목성훈 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  방효충 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) ,  김희섭 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 논문은 인공위성의 자세명령을 해석적으로 생성하는 기법을 제안한다. 실제 위성에서는 1) 구동기 성능, 2) 위성체 유연구조, 3) 원격명령 데이터크기 등과 같은 제한조건들이 존재하고, 이로 인해 해석적인 자세명령 해를 구하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 고유축 회전, 프로파일 형상화를 통해 문제를 단순화하는 방법을 제안하고, 최종적으로 해석적 해를 유도하였다. 생성된 자세명령은 온-보드 자세제어기의 피드포워드 입력 형태로 사용되어 위성의 기동성을 높일 수 있다. 각속도 경계조건에 따라 rest-to-rest 기동과 spin-to-spin 기동으로 나누어 자세명령 해를 유도하였다. 시뮬레이션 예제를 통해 제안된 자세명령생성 기법이 구동기 제한조건을 지키면서 초기/최종 시간에서의 경계조건도 잘 만족하는 것을 확인하였다. 제안된 해석 해는 자세명령을 비교적 적은 수의 파라미터로 구현할 수 있어 원격명령 데이터크기 측면에서 경쟁력이 있다. 또한, 해석 해로 반복계산이 필요없어 온-보드 자세명령생성 자동화에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An analytical solution to generate attitude command profile for agile spacecraft is proposed. In realistic environment, obtaining analytical minimum-time optimal solution is very difficult because of following constraints-: 1) actuator saturation, 2) flexible mode excitation, 3) uplink command bandw...

주제어

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고기동 위성의 장점은 무엇인가? 위성 기동성(agility)은 위성이 자세(attitude)를 얼마나 빠르게 바꿀 수 있는지를 나타내는 지표이다[1]. 고기동 위성은 저기동 위성에 비해 더 많은 지상표적을 같은 시간동안 촬영할 수 있다[2]. 상업용/군용 위성 등 다양한 용도로 고기동 위성이 개발/운용되고 있다.
위성 기동성이란 무엇인가? 최근 고기동 위성(agile satellite)에 대한 소요가 증대되고 있다. 위성 기동성(agility)은 위성이 자세(attitude)를 얼마나 빠르게 바꿀 수 있는지를 나타내는 지표이다[1]. 고기동 위성은 저기동 위성에 비해 더 많은 지상표적을 같은 시간동안 촬영할 수 있다[2].
해석적인 자세명령 해를 구하려는 이유는? 따라서 앞서 소개한 수치최적 기반 기법들을 적용하기 어렵다. 해석 해를 유도하고자 하는 이유는 1) 자세명령생성 기법의 onboard 자동화나 2) on-ground 생성 시 원격명령 데이터크기를 줄이기 위함이다(최소명령생성 관점). 또한, 앞선 연구들은 다음과 같은 제한조건들[18]에 대한 통합된 고려가 없었다: 1) 구동기 성능, 2) 토크명령 대역폭, 3) 원격명령 데이터크기.
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참고문헌 (26)

  1. Wie, B., Bailey, C., and Heiberg, C., "Rapid Multitarget Acquisition and Pointing Control of Agile Spacecraft," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 25, 2002, pp.96-104. 

  2. Mok, S.-H., Jo, S., Bang, H., and Leeghim, H., "Heuristic Approach to Mission Planning Considering Attitude Maneuverability," APISAT, Nov. 16-18, Seoul, Korea, 2017, pp. 1630-1636. 

  3. Gleyzes, M. A., Perret, L., and Kubik, P., "Pleiades System Architecture and Main Performances," International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 39, 2012, pp. 537-542. 

  4. Damilano, P., "Pleiades High Resolution Satellite: A Solution for Military and Civilian Needs in Metric-Class Optical Observation," 15th Annual/CSU Conference on Small Satellites, USA, 2004. 

  5. Thieuw, A. and Marcille, H., "Pleiades-HR CMGs-Based Attitude Control System Design, Development Status and Performances," IFAC Proceedings Volume, Vol. 40, 2007, pp. 834-839. 

  6. Jung, O.-C., Yim, H., Chung, D.-W., Kim, E.-K., and Kim, H.-J., "Analysis on Orbital Dynamics Operation Results of KOMPSAT-3 during Early Phase after Launch," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 4, 2013, pp. 319-326. 

  7. Bialke, B., and Stromswold, E., "Reaction Wheel Actuator with Two Newton-Meter Torque Capability for Increased Spacecraft Agility," 6th International ESA Conference on Guidance, Navigation and Control Systems, Greece, 2006. 

  8. Wie, B., Space Vehicle Dynamics and Control, AIAA Educational Series, AIAA, USA, 1998, pp.437-444 

  9. Wie, B., Weiss, H., and Arapostathis, A., "Quaternion Feedback Regulator for Spacecraft Eigenaxis Rotations," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 12, No. 3, 1989, pp.375-380. 

  10. Wie, B., and Lu, J., "Feedback Control Logic for Spacecraft Eigenaxis Rotations Under Slew Rate and Control Constraints," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 18, No. 6, 1995, pp.1372-1379. 

  11. Styen, W. H., "Near-Minimum-Time Eigenaxis Rotation Maneuvers Using Reaction Wheels," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 18, No. 5, 1995, pp.1184-1189. 

  12. Liu, Q., and Wie, B., "Robust Time-Optimal Control of Uncertain Flexible Spacecraft," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 15, No. 3, 1992, pp.597-604. 

  13. Wie, B., and Liu, Q., "Comparison Between Robustified Feedforward and Feedback for Achieving Parameter Robustness," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 15, No. 4, 1992, pp. 935-943. 

  14. Junkins, J. L., and Turner, J. D., "Optimal Continuous Torques Attitude Maneuvers," AIAA/AAS Astrodynamics Conference, USA, 1978, AIAA-78-1400. 

  15. Vadali, S. R., and Junkins, J. L., "Spacecraft Large Angle Rotational Maneuvers with Optimal Momentum Transfer," AIAA/AAS Astrodynaamics Conference, USA, 1982, AIAA-82-1469. 

  16. Turner, J. D., and Junkins, J. L., "Optimal Large-Angle Single-Axis Rotational Maneuvers of Flexible Spacecraft," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 3, No. 6, 1980, pp.578-585. 

  17. Bang, H., Kim, J.-A., and Kim, M., "Optimal Reorientation Maneuver of Bias Momentum Spacecraft," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 20, No. 6, 1997, pp.1076-1082. 

  18. Lafontaine, J., and Peuvedic, C. L., "Autonomous Generation of Guidance Profiles for Constrained, Minimum-Time, Large-Angle Attitude Manoeuvres," AAS/AIAA Space flight Mechanics Meeting, USA, 2005, AAS-05-106. 

  19. Singer, N. C., and Seering, W. P., "Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration," Transactions of the ASME, Vol. 112, pp.76-82. 

  20. Bang, H., and Junkins, J. L., "Lyapunov Optimal Control Law for Flexible Space Structure Maneuver and Vibration Control," Journal of Astronautical Sciences, Vol. 41, pp. 91-118. 

  21. Bilimoria, K. D., and Wie, B., "Time-Optimal Three-Axis Reorientation of a Rigid Spacecraft," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 16, No. 3, 1993, pp.446-452. 

  22. Sidi, M. J., Spacecraft Dynamics and Control: A Practical Engineering Approach, Cambridge University Press, USA, 2000, p.93. 

  23. Markley, F. L., Reynolds, R. G., Liu, F. X., and Lebsock, K. L., "Maximum Torque and Momentum Envelopes for Reaction-Wheel Arrays," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 33, No. 5, 2010, pp.1606-1614. 

  24. Leeghim, H., Jin, J., and Mok, S.-H., "Feasible Angular Momentum of Spacecraft Installed with Control Moment Gyros," Advances in Space Research, Vol. 61, No. 1, 2018, pp.466-477. 

  25. Kim, J.-J., and Agrawal, B. N., "Experiments on Jerk-Limited Slew Maneuvers of a Flexible Spacecraft," AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, USA, 2006, AIAA-2006-6187. 

  26. Xiao, B., Hu, Q., and Zhang, Y., "Fault-Tolerant Attitude Control for Flexible Spacecraft Without Angular Velocity Magnitude Measurement," Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 34, 2011, pp. 1556-1561. 

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