Tích hợp, thử nghiệm hệ thống và phát triển phần mềm mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh

Tổng quan về phân hệ xác định và điều khiển tư thế ADCS. Giới thiệu hệ thống thử nghiệm bộ mô phỏng ADCS. Xây dựng và phát triển phầm mềm ASiS: phân tích, thiết kế, phát triển, các đặc tính. Tích hợp và thử nghiệm hệ thống ADCS (hệ thống đệm khí cầu, động cơ phản lực, bánh xe phản lực, …)

Việc giám sát và điều khiển chuyển động và tư thế của vệ tinh trên quỹ đạo có ý nghĩa rất quan trọng đối với vệ tinh nói chung và vệ tinh quan sát Trái đất nói riêng, đảm bảo duy trì các tham số quỹ đạo và tư thế của vệ tinh trong phạm vi cho phép theo thiết kế và tạo điều kiện cần thiết để thiết bị payload thực hiện được chức năng quan sát, anten của hệ thống truyền dữ liệu có hiệu quả và pin mặt trời làm việc bình thường.

Để giám sát và điều khiển chuyển động và tư thế vệ tinh cần xem xét 3 phân hệ của vệ tinh: phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh (attitude determination and control system), phân hệ đo từ xa, bám và lệnh (telemetry, tracking and command- TT&C) và phân hệ hiệu chỉnh quỹ đạo. Phân hệ TT&C thực chất là một hệ truyền dữ liệu hai chiều, có chức năng xác định liên tục vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và nhận các lệnh điều khiển từ trạm mặt đất. Cấu trúc và hoạt động của phân hệ này đã được phân tích tương đối kĩ càng trong tài liệu 0. Phân hệ hiệu chỉnh quỹ đạo bao gồm hệ thống đẩy phản lực nhằm tạo ra các lực tác động lên vệ tinh để thay đổi quỹ đạo vệ tinh, đưa vệ tinh vào quỹ đạo định trước hoặc khống chế độ trôi của quỹ đạo danh định. Hệ thống đẩy cũng có thể cung cấp mômen quay hỗ trợ cho việc điều khiển tư thế của vệ tinh.

Phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế vệ tinh (Attitude and Orbit Control System, viết tắt là AOCS) là một trong các phân hệ quan trọng nhất trong cấu hình của vệ tinh. Tư thế của vệ tinh được định nghĩa là các góc tạo ra bởi các trục của hệ tọa độ gắn với vệ tinh và các trục của hệ tọa độ tham chiếu (ví dụ hệ tọa độ gắn với trục quay của trái đất). Theo định luật Newton 1 áp dụng cho chuyển động quay quanh tâm khối, nếu vệ tinh không bị mômen bên ngoài tác động thì tư thế vệ tinh khi bay sẽ vẫn giữ nguyên tư thế ban đầu trong hệ tọa độ quán tính. Ngoài ra, chuyển động của vệ tinh có thể bị nhiều yếu tố bên ngoài như mômen do gradient trọng trường của vệ tinh, moment bức xạ mặt trời, các trục trặc kỹ thuật, va đập của các vi thiên thạch, … tác động vào làm sai lệch tư thế ban đầu. Chức năng chính của ADCS là xác định chính xác tư thế của vệ tinh tại mọi thời điểm, ổn định chuyển động của vệ tinh khi bị nhiễu động và điều khiển nó về tư thế mong muốn (chẳng hạn hướng ống kính vệ tinh quan sát một vùng xác định trên mặt đất), hơn nữa phải làm được các điều đó một cách tối ưu, nghĩa là phải đạt độ chính xác cần thiết và tiêu tốn thời gian, năng lượng it nhất. Điều này đương nhiên cũng không thể tách rời với việc xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và điều khiển quỹ đạo khi cần thiết. Việc điều khiển quỹ đạo vệ tinh (bao gồm việc đưa vệ tinh về quỹ đạo thiết kế sau khi tách khỏi tên lửa đẩy và hiệu chỉnh quỹ đạo của nó trong quá trình hoạt động nhằm khắc phục các sai lệch quỹ đạo do tác động của các nhiễu) được thực hiện chủ yếu nhờ hệ thống động cơ phản lực. Trong khi đó, điều khiển tư thế vệ tinh của vệ tinh thực chất là bài toán điều khiển chuyển động quay của vệ tinh quanh tâm khối của nó, bằng cách sử dụng các cơ cấu chấp hành để tạo ra các mômen quay. Khi giải bài toán này, người ta thường không quan tâm đến quỹ đạo của vệ tinh nữa mà chỉ tập trung vào việc xác định và điều khiển tư thế của nó. Do đó trong các tài liệu đề cập đến bài toán này thường sử dụng thuật ngữ phân hệ xác định và điều khiển tư thế (Attitude Determination and Control System, viết tắt là ADCS)

Nói chung, hệ ADCS bao gồm khối các cảm biến, khối ước lượng và lập lệnh điều khiển, khối các cơ cấu chấp hành. Khối cảm biến xác định các tham số về tư thế của vệ tinh, trên cơ sở đó khối ước lượng và lập lệnh điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển tương ứng, chuyển đến khối cơ cấu chấp hành để sinh ra các mômen quay làm vệ tinh quay xung quanh tâm khối của nó.

Như vậy, việc thiết kế một hệ ADCS tối ưu đòi hỏi giải quyết bài toán phức tạp về lựa chọn và phối hợp các loại cảm biến và cơ cấu chấp hành thích hợp, có độ tin cậy cao và trên cở sở đó xây dựng thuật toán xử lý thông tin và điều khiển tham số thời gian thực nhằm đưa vệ tinh về tư thế mong muốn sau thời gian chấp nhận được, với tiêu hao năng lượng thấp nhất có thể và trong điều kiện chịu các nhiễu tác động ngẫu nhiên. Đây là một bài toán bao gồm cả phần nghiên cứu mô hình điều khiển toán học, thiết kế lựa chọn phần cứng và xây dựng phần mềm, cũng như lựa chọn thuật toán điều khiển. Rõ ràng, bài toán này liên quan rất nhiều ngành khoa học và công nghệ, bao gồm sự kết hợp giữa toán học, động lực học, lý thuyết điều khiển, công nghệ điện tử, công nghệ thông tin v.v….

Nghiên cứu và thiết kế hệ ADCS là một trong những nhiệm vụ trọng tâm trong thiết kế vệ tinh, vì ADCS đóng vai trò quyết định đối với chất lượng và hiệu quả hoạt động của vệ tinh, đặc biệt là các vệ tinh quan sát trái đất. Vì lí do đó, bài toán nghiên cứu thiết kế và vận hành ADCS là một trong những vấn đề thời sự, thu hút nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ vệ tinh nói chung và các vệ tinh quan sát trái đất nói riêng.

Phương pháp chủ yếu để phân tích và thiết kế hệ AOCS là phương pháp mô hình hoá toán học và mô phỏng. Đương nhiên, để nghiên cứu bài toán xác định và điều khiển quỹ đạo vệ tinh phải hoàn toàn sử dụng phương pháp tính toán và mô phỏng trên máy tính. Trong khi đó, đối với bài toán điều khiển tư thế, người ta có thế sử dụng một công cụ rất hữu hiệu là các hệ mô phỏng bán vật lý (gọi tắt là các bộ mô phỏng ADCS) để kiểm tra trong điều kiện phòng thí nghiệm dưới mặt đất các chức năng chính của hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh theo thiết kế, đặc biệt là thử nghiệm và tối ưu hoá các thuật toán điều khiển, trước khi lắp đặt cho vệ tinh để phóng lên không gian. Các hệ mô phỏng này cũng được sử dụng rộng rãi trong đào tạo đối với sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành công nghệ hàng không vũ trụ. Vì các lý do đó, việc nghiên cứu phát triển các bộ mô phỏng ADCS cũng được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trong 20 năm gần đây tại nhiều trường ĐH và viện nghiên cứu trên thế giới.

Luận văn thạc sĩ “Tích hợp, thử nghiệm hệ thống và phát triển phần mềm mô phỏng 3D điều khiển và giám sát cho Bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh” nhằm các mục tiêu & nội dung chính sau đây:

Tích hợp, vận hành và thử nghiệm hệ mô phỏng bán vật lý của hệ ADCS đối với vệ tinh trong phòng thí nghiệm;
Xây dựng phần mềm mô phỏng 3D điều khiển và giám sát tư thế vệ tinh đối với bộ mô phỏng ADCS.

Mục tiêu bao trùm của luận văn là tiếp cận các phương pháp mới về thiết kế các hệ thống ADCS đối với vệ tinh, nhằm sử dụng các kết quả này trong nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng.

Mô hình bán vật lý ADCS này, thường được gọi là bộ mô phỏng (simulators) hoặc bàn thử nghiệm (test-bed), được tích hợp từ các linh kiện, cảm biến và cơ cấu chấp hành thực (hoặc các thiết bị mô phỏng tính năng vật lý của chúng) theo một thiết kế mô tả đúng các mối quan hệ giữa các khối của ADCS và các đặc trưng động lực học của vệ tinh ở một mức độ nhất định. Nếu cần, có thể đặt cả mô hình trong buồng chân không, chung quanh có gắn các thiết bị mô phỏng từ trường trái đất hoặc ánh sáng mặt trời . Để mô phỏng điều kiện cơ học trên quỹ đạo, phương pháp được sử dụng hiệu quả nhất cho đến nay là khớp cầu đệm khí (air-bearing), trong đó mô hình vệ tinh được đặt đúng trọng tâm trên một khớp cầu chuyển động xoay hầu như không có ma sát nhờ khí nén. Từ thiết bị mô phỏng ADCS đầu tiên do NASA chế tạo năm 1959, đến nay đã có hàng trăm bộ mô phỏng ADCS được chế tạo trên thế giới, với tính năng ngày càng hoàn thiện, kể cả mô phỏng điều khiển các hệ đa vệ tinh (xem tổng quan về các hệ mô phỏng ADCS trên khớp cầu trong [6]. Chúng đã trở thành một công cụ rất quan trọng trong phân tích và thiết kế vệ tinh, đồng thời phục vụ có hiệu quả cho nghiên cứu và đào tạo. Điều này thể hiện qua sự quan tâm đặc biệt của các ĐH lớn như UCLA, ĐH công nghệ Callifornia, ĐH công nghệ Virginia, ĐH Công nghê Berlin, ĐH Quốc gia Mexico … và nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới đối với việc phát triển các bộ mô phỏng này [6]-[15]. Nhiệm vụ chế tạo và phát triển các bộ mô phỏng ADCS này lần đầu tiên được đặt ra và bước đầu tiếp cận giải quyết ở nước ta hiện nay.

Trong bản luận văn thạc sĩ này sẽ trình bày tổng hợp các kết quả đạt được theo các nội dung nghiên cứu của luận văn đã nêu trên đây, đồng thời đề xuất các phương hướng tiếp tục nghiên cứu về chủ đề ADCS trong thời gian tới.

Link tải tài liệu: https://tii.la/yrZfSu

Lưu ý: Link tải có chứa quảng cáo được rút gọn bằng Shrinkearn.com

Mật khẩu mở tệp PDF: sharetailieu.net

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu Polyme Nanocompozit trên cơ sở Polyaniline và Graphit

Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của giả vật liệu Metamaterial

Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 có cấu trúc micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt

Tiếp cận các ứng dụng giao thức truyền thông không dây MiWi PRO

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu Polyme Nanocompozit trên cơ sở Polyaniline và Graphit

Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của giả vật liệu Metamaterial

Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 có cấu trúc micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt

Tiếp cận các ứng dụng giao thức truyền thông không dây MiWi PRO

LEAVE A REPLY Cancel reply

Mới Nhất

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu Polyme Nanocompozit trên cơ sở Polyaniline và Graphit

Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của giả vật liệu Metamaterial

Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 có cấu trúc micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt

Tiếp cận các ứng dụng giao thức truyền thông không dây MiWi PRO

Nâng cao độ chính xác định vị robot bằng phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến lập mã quang với bộ lọc Kalman...

Cùng Chuyên Mục

Đọc Nhiều Nhất

Áp dụng OSGi trong việc xây dựng hệ thống dựa thành...

Kiến trúc hướng dịch vụ và ứng dụng điện toán đám...

Nghiên cứu tính khả kiểm thử của ứng dụng trên nền...

Kiểm thử đơn vị cho hệ thống

Phát triền phần mềm cho người học tại Đại học Quốc...

Các kỹ thuật phân cụm trong khai phá dữ liệu sử...