Design and development of hardware-in-the-loop (HIL) simulator for spacecraft attitude control using air-bearing system

국문 초록 (Abstract)

Micro-satellite (50~100kg) 수준을 가진 인공위성의 자세제어를 위한 하드웨어 시뮬레이터를 개발하였다. 저궤도에서의 임무를 가진 3축 제어용 소형위성의 자세제어 HILS (Hardware-In-the-Loop Simulation)를 위해 만들어졌으며, 그 목적에 부합하도록 부속품들이 선택되었다. Torque-free 환경은 에어베어링 시스템에 의하여 구현되었다. 개발된 자세제어용 HIL 시뮬레이터는 두 개의 자세 센서를 이용하여 자세를 측정하며, 세 개의 모멘텀 휠을 이용하여, 자세의 변화에 따라 시뮬레이터를 구동시킨다. 시뮬레이터는 PC104 규격의 On-board PC를 이용하여, 데이터를 프로세싱하며, 무선 네트워크를 구축하여, Host PC와 TCP/IP 통신을 한다. 또한, 우주환경의 인공위성을 보다 효과적으로 모사하기 위하여, 세 개의 배터리 세트로 이루어진 On-board power system이 전체 시스템의 전원을 공급한다. HIL 시뮬레이터의 자세 구동기로 역할하는 세 개의 모멘텀 휠은 시뮬레이터에 적합하도록 자체 개발되었다. 따라서, 모멘텀 휠의 성능을 검증하기 위해, Chirp 테스트와 Ramp 테스트가 이루어졌다. 특히, Ramp test에서는 모멘텀 휠의 성능을 결정하는 두 가지 parameter (관성모멘트, 각가속도)에 따른 전체 성능의 변화를 파악하고 파라미터 간의 trade-off관계를 효과적으로 해결하고자, 두 가지 버전의 플라이 휠을 제작하여 실험하였다. 더불어, torque와 power와의 관계를 통한 전력소모량이 추정되었고, 이에 따라 배터리 용량을 결정하였다. Chirp 테스트 결과, ACL의 모멘텀 휠의 출력된 가속도는 입력된 급 가변 가속도를 효과적으로 추적하였다. 두 가지 버전의 플라이 휠을 적용한 Ramp 테스트 결과, 관성모멘트의 변화가 출력 토크의 크기에 더 많은 영향을 주며, 더 작은 관성모멘트를 가질수록 더 섬세한 제어가 가능함을 확인하였다. 또한 이러한 모멘텀 휠의 성능 테스트를 바탕으로 전체 HIL 시뮬레이터의 성능을 테스트하였다. HIL 시뮬레이터의 성능 테스트는 PID 제어기를 적용하여 이루어졌다. HIL 시뮬레이터에 입력된 지향 방향으로 자세가 정확하게 기동(maneuver)하는지를 파악하는 테스트가 진행되었다. PID 제어기를 적용한 기동 테스트결과, 자세 각도에러와 자세 각가속도 에러 모두 빠른 시간 내에 안정 상태로 진입하는 것을 확인하였다. 본 논문의 인공위성 자세제어를 위한 HIL 시뮬레이터의 개발은 기존의 시뮬레이션과 비교하여 보다 현실적이며, 실제 수준과 가까운 테스트를 할 수 있다는 점에서 첫 번째 의의를 찾을 수 있다. 또한, HIL 시뮬레이션에서 사용된 각종 부속품들의 개발과 성능의 확인은 인공위성 자체의 성능을 향상 시킬 수 있다는 점에서 두 번째 의의를 찾을 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, a Hardware-In-the-Loop simulator (HILS) to control the attitude of spacecraft is developed. Proper modules are developed and selected for HILS of 3-axis attitude control of micro-satellite with the mission in the low Earth orbit. Torque-free environment of space is reproduced by the air-bearing system. HIL simulator for attitude control measures the attitude of the simulator using two attitude sensors, and reacts on the variation of the attitude using three momentum wheel assemblies. The simulator processes various types of data in PC104 as on-board computer of the simulator and wirelessly communicates with Host PC using TCP/IP protocol. Moreover, in order to effectively duplicate the satellite system in space environment, on-board power system consisted of three battery sets supplies power for the entire system. Three momentum wheels are developed to be suitable to HIL simulator itself. Therefore, several tests for verifying the performance of momentum wheel are put in operations such as Chirp test and Ramp test. In particular, in Ramp test, for the purpose of valuably solving trade-off relation between moment of inertia and angular acceleration, two types of flywheels are produced and tested. In addition to these tests, power consumption using the relationship between torque and power is estimated to size battery capacity. In Chirp test results, output acceleration by momentum wheel successfully tracks the input acceleration. In Ramp test applying two types of flywheels, the test shows that the variation of moment of inertia more affects the amount of output torque and smaller moment of inertia enables momentum wheel to control the simulator more sensitive. For the performance test of HIL simulator with the momentum wheels, PID controller is implemented to the simulator. Simulations are processed to comprehend whether HIL simulator maneuvers achieve a desired orientation from arbitrary attitude orientation. Test results show that both angle error and angular rate error reaches the steady state response within 5 % settling time. The development of HIL simulator for spacecraft attitude control can make several contributions as followings: the HILS gives more realistic test close to the actual test using a satellite. The HILS is to enhance the capability of satellite through the verification of the performance about lots of embedded modules and the customized development of the modules. The HILS can give good educational instruments for students who study satellite system and attitude control.