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系統識別號 U0002-0609200515545400
中文論文名稱 TUUSAT-1A微衛星姿態判定系統設計與研究
英文論文名稱 The Attitude Determination System Design and Study for Microsatellite TUUSAT-1A
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 93
研究生中文姓名 許丁元
研究生英文姓名 Ding-Yuan Hsu
學號 692342727
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-29
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-蕭秋德
委員-洪祖昌
委員-林煥榮
委員-徐超明
委員-王銀添
中文關鍵字 微衛星  姿態判定系統  two-vector algorithm  判定模組 
英文關鍵字 Microsatellite  attitude determination system  two-vector algorithm  determined module 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文依據之前TUUSAT-1微衛星所設計之姿態判定與控制系統做進一步的研究,在姿態控制系統我們採用低成本被動式永久磁棒姿態控制系統,在姿態判定系統則利用GPS、磁力計、太陽感測器與加速度計達到定出衛星三軸姿態的方式。
使用磁力計、太陽感測器與加速度感測器量測出衛星的磁場、太陽方向、天底方向向量,利用GPS定出衛星在軌道上當地地球磁場方向、太陽方向與天底方向向量,使用上述的三個向量建立三組判定法則,以代數法則two-vector algorithm,來比較在參考座標上的任意二個分析向量和估算向量在衛星本係座標的關係,對三組判定法所得的資料使用Maximum-likelihood方法作多餘資料處理,以取的較佳的的姿態資料,並使用擴張卡爾曼率波理論(Extended Kalman Filter),完成對微星姿態的估算,並將姿態判定程式建立在採用即時之μC/OS-II微核心作業系統,植入Motorola 32bit MPC555之微衛星電腦系統,並利用實驗驗證所設計的判定硬體、程式與星上電腦之間是否可正常運作與判定,由實驗的知我們所設計的判定模組、程式與電腦間皆可正常溝通與運作。
英文摘要 The thesis is according to the design of attitude determination and control system in the microsatellite TUUSAT-1 that do further research. In attitude control system that we adopt the low cost posture control system of permanent magnet bar, that attitude determination system utilizes GPS, Magnetometer, Sun detecting device and Accelerometer to reach and make three axle attitude ways of satellites.
Use measuring the magnetometer, Sun detecting device and acceleration to detect earth magnetic field, sun direction and nadir direction vector quantity of the satellite. Utilize GPS to make earth magnetic field, sun direction and nadir direction vector quantity in the track, use three above-mentioned vector quantities to set up three groups and judge the rule with algebra rules of two-vector algorithm that analyses and estimates wanton two vector quantity in the relation of coordinates change in the satellite. The Maximum-likelihood method do the redundant data process to get the better attitude data. Finish the estimation of the satellite posture use the theory of the Extended Kalman Filter. Writing the procedure of attitude determination into the microsatellite computer system of Motorola 32bit MPC555 with uC/OS-II operating system and utilize the experiment to verify the normal operation among the attitude hardware, procedure and microsatellite computer All very normal communication and operation among the determined module, procedure and computer designed by knowing us of the experiment.
論文目次 目 錄
目 錄 I
圖 目 錄 V
表 目 錄 VIII
第一章 緒 論 1
§1-1 TUUSAT-1A的規格與架構 2
§1-2 研究動機 5
§1-3 論文架構 5
第二章 衛星姿態判定與控制系統 7
§2-1.姿態系統基本架構 8
§2-1-1 國外微衛星姿態系統發展情況 9
§2-2 姿態控制系統 11
§2-2-1 主動式控制(Active Control System) 12
§2-2-2 被動式控制(Passive Control System) 14
§2-2-3 典型姿態控制致動器 17
§2-3 姿態判定系統 18
§2-3-1 姿態感測器 19
§2-3-2 感測器性能比較 24
第三章 軌道與座標系統 25
§3-1 軌道 25
§3-1-1 衛星軌道 26
§3-1-2克卜勒定律(Kepler’s Law) 27
§3-1-3 軌道方程式 28
§3-2 座標系統 31
§3-2-1 地球固定座標(Earth Center Earth Fixed, ECEF) 31
§3-2-2地球慣性座標(Earth Center Inertial, ECI) 31
§3-2-3 軌道座標(Orbit Coordinates,OC) 32
§3-2-4 衛星本體座標(Body Coordinate, BC) 32
第四章 衛星姿態判定法 33
§4-1單軸姿態計算原理 33
§4-2三軸姿態計算原理 33
§4-2-1 兩個座標間的轉換矩陣 34
§4-2-2 尤拉軸/角 34
§4-2-3 尤拉對稱參數 35
§4-2-3 尤拉角 37
§4-2-4 TRIAD演算法 38
2-Vector Algorithm 38
§4-3 卡爾曼率波器 40
§4-3-1 擴張卡爾曼率波理論 41
第五章 TUUSAT-1A之衛星姿態動態系統 47
§5-1 姿態動態方程式 47
§5-2 環境力矩 50
§5-2-1 重力梯度力矩 51
§5-2-2 太陽輻射力矩 52
§5-2-3 地球磁場力矩 52
§5-2-4 空氣動力矩 53
第六章 TUUSAT-1A之姿態判定系統 54
§6-1 判定方法、元件 54
§6-2 感測器量測與參考向量模型 56
§6-2-1 感測器量測 56
§6-2-2參考向量模型 59
§6-3 最大可能性運算邏輯(MLM) 63
§6-4 設計分析 65
§6-4-1衛星資料不中斷 67
§6-4-2 判定子系統的安全機制 68
§第七章 硬體製作與實驗 71
§7-1介面設計 71
§7-1-1 用於姿態判定系統的電腦腳位規劃 72
§7-2 感測器 75
§7-2-1 HMC1023三軸磁力感測器 75
§7-2-2 GPS Receiver 77
§7-2-3 MXR2312M加速度計 79
§7-3 測試實驗 80
§7-3-1 GPS測試 85
§7-3-2整合測試與判定程式運算實驗 87
§第八章 結論與討論 89
附錄一:NMEA標準GPS接收格式 91
參考文獻 96
圖 目 錄
圖1 1 衛星系統架構 3
圖2-1姿態系統測試流程 7
圖2-2 姿態系統基本架構 8
圖2-3控制系統基本架構 12
圖2-4 動量輪所在位置示意圖 13
圖2-5 典型磁力矩穩定衛星 14
圖2-6 雙狹縫式太陽出現感測器 20
圖2-7 類比式太陽方位感測器 20
圖2-8 數位式太陽方位感測器量測元件 20
圖2-9 地平線感測器光軸的圓錐掃描 21
圖2-10 感應式磁通閥磁場感測器之感應線圈 22
圖3-1 地球同步軌道、橢園軌道及極軌道 26
圖3-2 太陽同步軌道 26
圖3-3 二體運動-圓形軌道 28
圖3-4 軌道-能量關係圖 29
圖3-5 橢圓軌道 30
圖3-6 典型的軌道元素 30
圖4-1 3-1-3尤拉座標轉換 37
圖4-2.擴張卡爾曼率波器流程 46
圖5-1環境影響力矩 vs 軌道高度 51
圖6-1姿態判定流程 54
圖6-2.姿態資料處理流程 55
圖6-3感測器量測與參考向量 56
圖6-4兩太陽能板組裝的幾何外形 58
圖6-5衛星在軌道上位置以球座標表示 62
圖6-6 姿態判定流程 66
圖6-7 TUUSAT-1A被動磁棒姿態控制示意圖 66
圖6-8 姿態資料取得方式 67
圖6-9 磁力計毀損或無法正常運作情況下 69
圖6-10 太陽感測器毀損或無法正常運作情況下 69
圖6-11 太陽感測器毀損或無法正常運作情況下 70
圖7-1 TUUSAT-1A衛星系統方塊圖 71
圖7-2 ec555-light module開發板腳位圖 74
圖7-3 ec555-light module開發板腳位圖 74
圖7-4 磁力感測器HMC1023 75
圖7-5 磁力計之放大電路圖 77
圖7-6 GPS Receiver (PE-36) 77
圖7-7 GPS Active Antenna (GA-31) 79
圖7-8 Accelemeter(MXR2312M) 79
圖7-9 戶外實驗測試 82
圖7-10 姿態判定系統硬體設備 82
圖7-11 GPS天線 83
圖7-12 電源供應器 83
圖7-13 CodeWarrior開發環境的視窗 84
圖7-14 開發工具示意圖 84
圖7-15 實驗接收到的GPGGA與GPRMC資料 85
圖7-16 實驗接收到的經、緯度、高度、時間資料 86
圖7-17 實驗接收到的三軸姿態資料 88
附圖一 姿態判定硬體電路圖 95
表 目 錄
表1-1 衛星的分類 2
表1-2 TUUSAT-1A 任務及規格 3
表2-1 國外發展情形 10
表 2-1a 符號說明 11
表2-2典型姿態控制致動器 18
表2-3典型姿態感測器 24
表2-4感測器性能比較 24
表7-1 用於姿態系統電腦腳位數目規劃 72
表7-2 磁力感測器特性 76

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