Angular Velocity Estimation for Nanosatellites Using Vector Measurements

Abstract

n the absence of gyro sensors, the straightforward approach to estimate the angular velocity is using a dynamics-based attitude filter which can provide angular rate information together with the attitude of the satellite. However, this approach requires also the reference directions for the vector measurements. In this article, assuming that the reference directions are not known, two different algorithms for angular velocity estimation, using only the body vector measurements are given and compared. They both rely on pre-filtering the noisy data, specifically for the magnetometer measurements. The first algorithm estimates the Residual Magnetic Moment (RMM) terms along with the angular velocity vector. The second algorithm does not use the spacecraft dynamics and model the angular accelerations as a first-order Markov process. Demonstrations show the first algorithm can provide an accuracy up too 0.035 /s for angular velocity estimates and accurately estimate the RMM terms, whereas the second algorithm is a computationally efficient alternate that can be used flexibly at any mission phase.

Özet

Dönüölçerlerin yokluğunda açısal hız kestirimi için kullanılabilecek en bilinen yöntemlerden biri dinamik tabanlı bir filtre ile hem açısal hızların hem de uydunun yöneliminin kestirimidir. Fakat bu yaklaşım vektör ölçümleri için referans yönelimleri de gerektirir. Bu makalede referans vektör yönlerinin bilinmediği varsayılarak, sadece gövde eksen takımında ölçülmüş vektörleri kullanan iki farklı açısal hız kestirim yöntemi sunulmuş ve karşılaştırılmıştır. Her iki yöntem de özellikle manyetometreler için gürültülü verilerin öncül bir filtreden geçirilmesine dayanmaktadır. İlk algoritma açısal hızların yanısıra Artık Manyetik Moment (AMM) terimlerini de kestirmektedir. İkinci algoritma uydu dinamiklerini kullanmamakta, açısal ivmeyi birinci mertebeden bir Markov süreci şeklinde modellemektedir. Benzetimler göstermektedir ki ilk algoritmao 0.035 /s mertebesinde bir açısal hız kestirim doğruluğuna erişebilmekte ve AMM terimlerini doğru olarak kestirebilmekte iken, ikinci algoritma farklı görev safhalarında da kullanılabilecek hesaplama açısından etkin bir alternatif sunmaktadır.