مجله ی مهندسی مکانیک شریف

مجله ی مهندسی مکانیک شریف

تعیین وضعیت یک ماهواره زمین‌آهنگ مجهز به حسگرهای خورشید و زمین با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی، دانشکدة مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف
2 دانشگاه شریف
3 استادیار، پژوهشگاه فضایی ایران
10.24200/j40.2026.68496.1761
چکیده
تعیین وضعیت یکی از مؤلفه‌های حیاتی در طراحی و عملکرد سامانه‌های فضایی است. در این پژوهش، چارچوبی نوین برای تخمین وضعیت یک ماهواره زمین‌آهنگ با ترکیب حسگرهای خورشید و زمین و بهره‌گیری از الگوریتم‌های هوش مصنوعی ارائه شده است. روش‌ جبریTRIAD برای پیش‌پردازش داده‌های خام حسگر استفاده شده است. در ادامه، مجموعه‌ای از الگوریتم‌های یادگیری ماشین و یادگیری عمیق شامل روش‌های XGBoost، CatBoost و شبکه عصبی چندلایه (MLP) برای تخمین کواترنیون‌های چرخش مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که استفاده همزمان از چهار مدل MLP دو لایه‌ای با داده‌های پیش‌پردازش‌شده، همراه با نرمال‌سازی کواترنیون‌های خروجی، به میانگین خطای مطلق ۵۷/۰ درجه منجر می‌شود. این رویکرد، تقریبا ۱۰ درصد برتری عملکردی را در مقایسه با الگوریتم TRIAD از خود نشان داده و دقت مناسبی برای کاربردهای عملی و اجرای بلادرنگ فراهم می‌سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Attitude Determination of Geosynchronous Satellites with Sun and Earth Sensors Using Artificial Intelligence Algorithms

نویسندگان English

Farid Hajiweisah 1
Hossein Nejat Pishkenari 2
Taleb Abdollahi 3
1 Bachelor’s Student of Mechanical Engineering of Sharif University of Technology,
2 1463775817
3 Assistant Professor, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran.
چکیده English

In attitude determination system (ADS) of a satellite, using artificial intelligence methods for estimating rotation quaternions based on sensor outputs, reduces computational costs while increasing the speed and accuracy. Additionally, it maintains its efficiency at sensor singularity points and, unlike traditional algebraic methods, enable attitude determination across the entire probable space of satellite positioning. hence, Attitude determination is a critical component in the design and operation of space systems. This study presents a novel framework for estimating the attitude of a geosynchronous satellite by combining Sun and Earth sensors with artificial intelligence algorithms. First, by modeling the satellite’s dynamic motion, unit vectors representing the positions of the Sun and Earth in both the orbital and body frames were generated, and a synthetic dataset was created by adding Gaussian noise to simulate sensor output. Using raw data led to inappropriate results in a way that in the best prediction, error of estimating rotation quaternion vector was more than 10 degrees, so to enhance the quality of the learning process, the raw data were augmented as a preprocessing step utilizing the TRIAD algebraic method. Several machine learning and deep learning algorithms, including XGBoost, CatBoost, and multilayer perceptron (MLP) networks, were then employed to estimate the satellite's rotation quaternions. The findings of this research demonstrated that the simultaneous and parallel use of four identical two-layer MLP models, each dedicated to predicting a single component of the quaternions from the preprocessed data, coupled with the normalization of the output quaternions from the neural networks, yields a mean absolute error of 0.285 degrees. This approach achieved approximately 10% performance superiority compared to the best method among those evaluated, namely the TRIAD algorithm, which makes it suitable for practical, real-time applications. This hybrid approach offers a cost-effective and reliable solution for implementing attitude determination systems in satellites.

کلیدواژه‌ها English

Attitude Determination
Satellite
Artificial Intelligence
Sun Sensor
Earth Sensor