Estimação conjunta de órbita e atitude de satélites artificiais estabilizados por rotação utilizando observações do magnetômetro e sensor solar

• Main Author: Carmen Miranda de Lira Silva
• Other Authors: Hélio Koiti Kuga
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2005
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/jeferson/2005/06.15.17.32

Neste trabalho desenvolve-se e testa-se, sistematicamente, um procedimento de estimação conjunta de órbita e atitude destinado a satélites artificiais estabilizados por rotação em órbitas baixas. Para tanto, utiliza-se em técnicas ótimas de estimação de estados, medidas fornecidas por dois tipos de sensores, convencionais para determinação apenas de atitude. Este procedimento utiliza as técnicas Mínimos Quadrados e Filtro Estendido de Kalman para processar as medidas: ângulo do aspecto solar, fornecido por dois sensores solares e componentes axial e radial do campo geomagnético, fornecidas por um magnetômetro. Para a sua sistemática tal procedimento é dividido em pré-processamento e processo de estimação, e subdividido em curto, médio e longo períodos. Um algoritmo para a geração das informações a priori da órbita e da atitude de um satélite artificial foi desenvolvido e implementado em linguagem \textit{Matlab}$\textregistered$, assim como os estimadores. Este algoritmo é fundamentalmente inspirado nas passagens do satélite pela sombra da Terra e nas observações do campo geomagnético. O procedimento é testado com observações simuladas, com dados simulados e reais de órbita e atitude do satélite nacional de coleta de dados ambientais SCD-1, cuja órbita é quase circular, com altitude de 750 km e inclinação de 25$°$. O modelo da dinâmica orbital é o Kepleriano e o satélite é considerado inercialmente estabilizado. O modelo do campo geomagnético é considerado de ordem e grau 10, com coeficientes dados pelo IGRF-95. A convergência do processo foi alcançada com sucesso pelo Mínimos Quadrados e refinada pelo Filtro Estendido de Kalman. As estimativas obtidas indicam que o procedimento tem condições de fornecer, dentro da tolerante precisão de até 100 km a informação da órbita, conjuntamente com a atitude de um satélite artificial cujas características sejam equivalentes ao que foi utilizado nos testes do procedimento. === In this work it is developed and it is tested, systematically, a procedure for joint estimation of orbit and attitude destined to artificial satellites stabilized by rotation in low orbits. For that, it is used optimal state estimation techniques, measures supplied for two types of sensors, conventionally used for attitude determination only. This procedure uses the Least Squares and the Extended Kalman Filter techniques to process the measures: of solar angle aspect, supplied by two solar sensors; and axial and radial components of the geomagnetic field, supplied by a magnetometer. For its systematics such procedure is divided in daily pre-processing and estimation process, and subdivided in short, mean and long periods. An algorithm for the generation of the a priori information of the orbit and attitude of an artificial satellite was developed and implemented in the \textit{Matlab} $\textregistered$ language, as well as the estimators. This algorithm is basically inspired on the passage of the satellite on Earth´s shadow and in the geomagnetic field observations. The procedure is tested with simulated observations, with simulated and real data of orbit and attitude of the national satellite for environmental data collecting SCD-1, whose orbit is almost circular, with 750km of altitude and inclination of 25$°$. The model of the orbital dynamics is the Keplerian one and the satellite is considered inertially stabilized. The model of the geomagnetic field is considered of 10$^{th}$ order and degree, with coefficients given by IGRF-95. The convergence of the process was accomplished successfully by the Least Squares and refined by the Extended Kalman Filter. The estimates obtained indicate that the procedure has conditions to supply, within the precision of up to 100km, the information of the orbit, jointly with the attitude of an artificial satellite whose characteristics are equivalent to those of that one used in the tests of the procedure.