تخمین هم زمان مدار و وضعیت ماهواره و ضریب آلبدوی زمین با استفاده از دمای سطوح ماهواره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده ی مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

2 پژوهشکده ی سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران

چکیده

کاهش تعداد سنسورهای مورد استفاده در ماهواره سهم مهمی در کاهش هزینه‌های ساخت ماهواره دارد. در این راستا استفاده از الگوریتم‌های تخمین مدار و وضعیت یک‌پارچه می‌تواند کمک شایانی در این زمینه محسوب شود. در این مقاله الگوریتم تخمین هم‌زمان مدار و وضعیت ماهواره با اندازه‌گیری‌های نرخ دمای سطوح ماهواره مورد بررسی قرار گرفته است. از آن‌جا که ضریب آلبدوی زمین یک پارامتر مهم و با عدم قطعیت بالا در مدل حرارتی ماهواره است، تخمین آن نیز مورد توجه قرار گرفته است. تابش آلبدو و فروسرخ زمین به‌صورت متغیر و با استفاده از داده‌های واقعی سامانه‌ی پایش ابرها و انرژی‌های تابشی زمین مدل شده‌اند. برای تخمین مدار، وضعیت و پارامتر ضریب آلبدو نیز از فیلتر غیرخطی کالمن خنثی استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی‌های مونت کارلو نشان می‌دهد که گرچه در بازه‌های شب مشاهده‌پذیری وجود ندارد، ولی در بازه‌های روز ماهواره، بردار حالت به خوبی تخمین زده شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simultaneous Orbit, Attitude and Albedo Parameter Estimation Using Satellite Surface Temperature Data

نویسندگان [English]

  • F. Nasihati Gourabi 1
  • M. Kiani 1
  • S.H. Pourtakdoust 1
  • A. Labibian 2
1 D‌e‌p‌t. o‌f A‌e‌r‌o‌s‌p‌a‌c‌e E‌n‌g‌i‌n‌e‌e‌r‌i‌n‌g S‌h‌a‌r‌i‌f U‌n‌i‌v‌e‌r‌s‌i‌t‌y o‌f T‌e‌c‌h‌n‌o‌l‌o‌g‌y
2 C‌e‌n‌t‌e‌r f‌o‌r R‌e‌s‌e‌a‌r‌c‌h a‌n‌d De‌v‌e‌l‌o‌p‌m‌e‌n‌t i‌n S‌p‌a‌c‌e S‌c‌i‌e‌n‌c‌e a‌n‌d T‌e‌c‌h‌n‌o‌l‌o‌g‌y
چکیده [English]

Development of low-cost small satellites has been at the center of attention in recent years. Concurrent Orbit and Attitude Estimation (COAE) requires fewer sensors onboard and subsequently results in some cost reductions. In this regard, the present paper has focused on addressing the importance of COAE utilizing temperature rate on satellite surfaces. To this end, the thermal model for a low Earth orbiting satellite is introduced first. A three-axis stabilized spacecraft is assumed equipped with small measurement plates that are isolated from each other and from the internal heat sources of the satellite. As the Sun and the Earth are the significant sources of radiation for a near Earth space system, the view factor is the key parameter for observability of the orbital elements, while the Sun radiation is responsible for the attitude observability. The Earth albedo factor is a major uncertain parameter required for the thermal analysis of low Earth orbiting satellites. This parameter is greatly dependent on the Earth’s local terrain and climatic conditions such as instantaneous cloud coverage. To address the problem of albedo factor uncertainty, it is estimated simultaneously with the attitude and orbit of the satellite. NASA's CERES project provides satellite-based observations of the Earth’s radiation budget and clouds over almost 18 years. In this paper, CERES data tables for the Earth’s thermal flux and albedo factor have been used to produce more realistic measurement data. The nonlinear filter of Unscented Kalman Filter (UKF) is also exploited for the state estimation. Lack of sun radiation during the satellite’s eclipse intervals results in the loss of orbit and attitude observability. The performance and viability of the proposed COAE algorithm are verified by Monte Carlo simulations. Moreover, a sensitivity analysis is conducted within a wide range of semi major axes, eccentricities, and inclinations. The results demonstrate the high sensitivity of the algorithm to the orbit altitude and the sun rays direction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • orbit estimation
  • attitude estimation
  • parameter estimation
  • satellite surface temperature
  • albedo factor