Development of a hardware-in-the-loop simulator for spacecraft attitude control using thrusters

국문 초록 (Abstract)

인공위성 시뮬레이터는 다양한 인공위성 시스템을 지상에서 구현할 수 있는 유용한 장치이다. 또한 인공위성 시뮬레이터를 이용하여 실제 인공위성에 사용될 새로운 제어 기법을 개발하고 검증할 수 있다. 이러한 연구를 기반으로 한 인공위성의 자세 제어 기법을 검증하기 위해Hardware-in-the-loop(HIL) 시뮬레이터를 개발하였다. 본 논문의 핵심은 인공위성 시뮬레이터의 추력기와 정밀한 우주 환경 묘사를 위한 자동 균형화 시스템이다. 이것은 air-bearing 장치가 가지고 있는 한계점을 보완하기 위한 것이다. 인공위성 시뮬레이터의 자세 제어를 위해, 질소 가스를 사용하는 총 8개의 추력 장치가 위성의 roll, pitch 그리고 yaw 축에 맞춰서 장착되었다. 그리고 인공위성 시뮬레이터의 회전 중심과 질량 중심을 일치시키기 위해 선형화 장치가 추가되었다. 기존의 설계된 HIL 시뮬레이터와 마찬가지로 시뮬레이터를 제어하는 On-board PC, 위성의 data를 수신하고 명령을 내리기 위한 Host PC, 통신을 위한 무선 네트워크, 시뮬레이터의 자세 정보를 측정하기 위한 센서들 그리고 자체 전원 공급을 위한 배터리들을 포함하고 있다. 각각의 추력 장치들은 시뮬레이터에 적합하도록 설계되었고, 추력기를 이용한 자세 제어 기법들을 적용하였다. HIL 시뮬레이터의 성능 검증을 위하여, Bang-bang 제어 기법과 Pulse-Width Pulse Frequency (PWPF) 제어 기법이 각각 적용되었다. yaw축을 중심으로 한 실험 결과, 두 가지의 제어 기법 모두 시뮬레이터의 자세 각도가 약 3도의 오차 범위 이내로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 2가지의 제어 방식은 안정화에 도달하는 시간과 추력기의 연료 효율성 면에서 각각의 장단점이 비교되었다. 실험 결과, PWPF modulator의 제어 기법을 사용할 경우, 연료 소모량이 약51%로 감소하였고, 안정화 시간은 Bang-bang controller 경우 보다 약6초가 늘어난 것을 확인하였다. 본 논문은 기존의 HIL 시뮬레이터의 단점을 보완하여 더욱 정밀한 환경을 구현하였으며, 새로운 추력기를 이용한 제어 기법의 검증과 비교에서 그 의의를 찾을 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The ground-based spacecraft simulator is a useful tool to realize various spacecraft systems. The spacecraft simulator can be also used to develop and verify new control laws required by modern spacecraft applications. In this research, therefore, a hardware-in-the-loop (HIL) simulator is developed to demonstrate the experimental validation of spacecraft attitude system. The main components of the HIL simulator are the thruster system to attitude control and automatic mass-balancing for elimination of gravity disturbances. To control the attitude of the simulator, eight thrusters which using the cold gas are aligned with roll, pitch and yaw axis. Also linear actuators are applied to the HIL simulator for automatic mass balancing to compensate for the center of mass offset from the center of rotation. Addition to the thruster control system and Linear actuators, the HIL simulator includes an embedded computer (Onboard PC) for simulator system control, Host PC for simulator health monitoring, and command and post analysis, wireless adapter for wireless network, rate gyro sensor to measure 3-axis attitude of the simulator, inclinometer to measure horizontality, and battery sets to independently supply power only for the simulator. For the performance test of HIL simulator, a bang-bang controller and Pulse-width Pulse-frequency modulator are evaluated using the hardware simulator. Each controller resulted in successfully driving the angle and angular rates of yaw axis to zero. Besides, the results of two controller are compared by implementation. In the experiment, the maneuver of 68 in yaw axis is tested for the comparison. The settling time in the result of bang-bang controller is faster than PWPF modulator by five seconds in the experiment. Also, the result of firing time represents that the required fuel of PWPF modulator is used as 51% as that of bang-bang controller in the experiment. Overall, the ACL simulator is demonstrated to validate the control algorithm.