Моделювання магнітного поля Землі для визначення та контролю орієнтації PolyITAN-12U

Dmytro V. Serhieiev; Yevhen Yu. Kovalenko

doi:10.20535/2523-4455.mea.338666

Т. 30 · № 2 · 2025 сер 6, 2025 Електронні системи та сигнали

Моделювання магнітного поля Землі для визначення та контролю орієнтації PolyITAN-12U

Dmytro V. Serhieiev Відповідальний Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Yevhen Yu. Kovalenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Сторінки338666.1-338666.11 Опублікованосер 6, 2025

PDF

ТОМ 30 · № 2 · 2025 Переглянути випуск

Анотація

У статті представлено симуляційну модель, яка поєднує алгоритм прогнозування орбіти на основі рівняння Кеплера та модель World Magnetic Model, для визначення реальних характеристик магнітного поля Землі на типових для наносупутників CubeSat орбітах (висота 400-600 км, нахил 97-98°). Перевірка правильності обчислення позиції супутника, здійснена за допомогою еталонних значень від International GNSS Service, показала добову точність, достатню для дослідження системи орієнтації та стабілізації. Отримані за результатами численних симуляцій оцінки магнітного середовища лежать у межах від 51.7 мкТл до 18.3 мкТл (середнє значення 36.2 мкТл), а швидкість зміни магнітного поля, пов’язана з переміщенням супутника, не перевищує 115.4 нТл/с. На основі параметрів магнітних котушок PolyITAN-12U та його інерційних характеристик показано, що в умовах реальної орбіти вони здатні створювати обертальні моменти від 1.1×10 -5 Н·м до 3.2×10 -5 Н·м, забезпечуючи кутові прискорення від 2.1×10 -5 рад/с 2 до 6.4×10 -5 рад/с 2 в залежності від осі, струму котушок та локального магнітного поля. Таким чином, навіть тривала робота на номінальному струмі спричиняє доволі невеликі зміни кутової швидкості апарату, що слід врахувати під час розробки алгоритмів керування орієнтацією та енергоспоживанням. Розроблена модель та отримані числові дані будуть застосовані для побудови повноцінного hardware-in-the-loop тестування PolyITAN-12U з використанням клітки Гельмгольца, що дозволить значно покращити процес відлагодження алгоритмів керування орієнтацією супутника. Також слід зазначити, що запропоновані підходи не враховують такі ефекти як гравітаційні збурення, атмосферний опір та тиск сонячного випромінювання при розрахунку орбіти, а також зовнішні джерела магнітного поля такі як геомагнітні бурі, викликані сонячною активністю. Все це відкриває шлях для подальшого удосконалення моделі.

Ключові слова

#CubeSat #керування орієнтацією #магнітне поле #прогнозування орбіти

Посилання

A. Johnstone, “CubeSat Design Specification Rev. 14.1,” Feb. 2022, URL: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/62193b7fc9e72e0053f00910/1645820809779/CDS+REV14_1+2022-02-09.pdf .
E. Kulu, “CubeSats & Nanosatellites - 2024 Statistics, Forecast and Reliability,” in 31st IAA Symposium on Small Satellite Missions, 2024, pp. 601–614, DOI: https://doi.org/10.52202/078365-0069 .
H. Shim, O.-J. Kim, M. Park, M. Choi, and C. Kee, “Development of Hardware-in-the-Loop Simulation for CubeSat Platform: Focusing on Magnetometer and Magnetorquer,” IEEE Access, vol. 11, pp. 73164–73179, 2023, DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3294565 .
M. K. Quadrino, “Testing the Attitude Determination and Control of a CubeSat with Hardware-in-the-Loop,” Massachusetts Institute of Technology, 2014, URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/91382 .
F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York, NY: Springer New York, 2014, ISBN: 978-1-4939-0801-1. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8_1
“World Geodetic System 1984,” Sep. 1991, URL: https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA280358.pdf .
J. Stryjewski, “Coordinate Transformations,” URL: https://x-lumin.com/wp-content/uploads/2020/09/Coordinate_Transforms.pdf .
Charles. Brown and W. Software. C Brown, Elements of Spacecraft Design. AIAA (American Institute of Aeronautics & Astronautics), 2004. ISBN: 978-1563475245
Roger. Bate, D. D. Mueller, and J. E. White, Fundamentals of astrodynamics. Dover Publications, Inc., 1971.
P. Cefola, D. A. Vallado, and P. J. Cefola, “Two-line element sets-Practice and use,” In 63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy, International Astronautical Federation, 2012.
M. Palacios, “Kepler equation and accelerated Newton method,” J Comput Appl Math, vol. 138, no. 2, pp. 335–346, Jan. 2002, DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(01)00369-7 .
A. Porras-Hermoso, J. Cubas, and S. Pindado, “On the satellite attitude determination using simple environmental models and sensor data,” J Phys Conf Ser, vol. 2090, no. 1, p. 012116, Nov. 2021, DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2090/1/012116 .
“Comparison of Orbit Propagators,” MATLAB Documentation. [Online]. Available: https://www.mathworks.com/help/aerotbx/ug/comparison-of-orbit-propagators.html .
M. Navabi and M. Barati, “Mathematical modeling and simulation of the earth’s magnetic field: A comparative study of the models on the spacecraft attitude control application,” Appl Math Model, vol. 46, pp. 365–381, Jun. 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apm.2017.01.040 .
Chulliat et al., “The US/UK World Magnetic Model for 2025-2030: Technical Report,” 2025, DOI: https://doi.org/10.25923/prbc-s316 .
P. Alken et al., “International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation,” Earth, Planets and Space, vol. 73, no. 1, p. 49, Dec. 2021, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x .
J.-F. Oehler, D. Rouxel, and M.-F. Lequentrec-Lalancette, “Comparison of global geomagnetic field models and evaluation using marine datasets in the north-eastern Atlantic Ocean and western Mediterranean Sea,” Earth, Planets and Space, vol. 70, no. 1, p. 99, Dec. 2018, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-018-0872-y .
D. Cilden-Guler, Z. Kaymaz, and C. Hajiyev, “Geomagnetic disturbance effects on satellite attitude estimation,” Acta Astronaut, vol. 180, pp. 701–712, Mar. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.12.044 .
J. Kouba, “A guide to using International GPS Service (IGS) products,” Ottawa, Sep. 2015, URL: https://files.igs.org/pub/resource/pubs/UsingIGSProductsVer21_cor.pdf .
A. El Fatimi, A. Addaim, and Z. Guennoun, “Study and design of an active magnetorquer actuator model for nanosatellites,” E3S Web of Conferences, vol. 351, p. 01051, May 2022, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202235101051 .
S. B. Örs, “Developing an Attitude Determination and Control System for 1U CubeSat,” Jun. 2024, DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.35088.42240 .

Попередня у випуску Система електроживлення прив’язного дрона з проміжною ланкою підвищеної напруги

§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.

Усі випуски

Квазістатична ідентифікація структури затінення сонячних панелей за методом векторів кардинальних чисел

PhD, доц. Олена Олегівна Абакумова, д-р техн. наук, проф. Валерій Якович Жуйков, Микола О. Лук'янов

У статті розглянуто проблему ідентифікації структури затінення сонячних панелей. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю швидкої та адекватної реконфігурації…

#Сонячні панелі #Фотоелектрична поверхня #Моделювання структури тіней #Квазістатична ідентифікація

с. 362283.1-362283.7

10.20535/2523-4455.mea.362283

Комплексний метод виділення неінвазивного сигналу фетальної електрокардіограми та класифікації серцевих аритмій

Дмитро А. Шевчук, канд. техн. наук, доц. Наталія Георгіївна Іванушкіна

Стаття присвячена розробці комплексного методу виділення фетального електрокардіосигналу (ФЕКГ) з неінвазивних абдомінальних записів та подальшої автоматизованої…

#абдомінальні електрокардіограми #фетальна електрокардіограма #аритмія #сліпе розділення джерел

с. 356487.1-356487.11

10.20535/2523-4455.mea.356487

Імітаційне моделювання фільтро-компенсаційного перетворювача для трифазної трипровідної мережі

Іван Андрійович Вакуленко, канд. техн. наук, доц. Дмитро Анатолійович Миколаєць, канд. техн. наук, доц. Катерина Сергіївна Клен

У цій статті розглядається критична проблема погіршення якості електроенергії в сучасних енергосистемах, спричинена поширенням нелінійних навантажень. Такі навантаження…

#фільтр-компенсаційний перетворювач #трифазна трипровідна мережа #якість електроенергії #повне гармонійне спотворення

с. 361138.1-361138.6

10.20535/2523-4455.mea.361138

Схожі статті

Kostiantyn S. Mazur, Alina O. Serheieva, Dmytro D. Tatarchuk, Yuri V. Didenko, Керовані частотноселективні структури НВЧ на основі неоднорідної мікросмужкової лінії передачі , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 4 (2018)
Антон Васильович Коцюбайло, д-р техн. наук, проф. Олександр Миколайович Лисенко, Розподілена архітектура системи Wi-Fi-керування активним ортезом верхніх кінцівок , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 31 № 1 (2026)
Yana Vjyatsheslavivna Kabushka, Anton Serhiiovych Zotko, Ivan Viktorovich Kandrachuk, Oleksii Volodymyrovych Korzhyk, Дальність виявлення малих повітряних об’єктів наземною системою шумопеленгування , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 5 (2018)
Khaldon Araffa, Планування траєкторії антропоморфного крокуючого робота (Biped Robot) , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 2 (2019)
Іван Андрійович Вакуленко, канд. техн. наук, доц. Дмитро Анатолійович Миколаєць, канд. техн. наук, доц. Катерина Сергіївна Клен, Імітаційне моделювання фільтро-компенсаційного перетворювача для трифазної трипровідної мережі , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 31 № 2 (2026)
Mikhail O. Bezuglyi, Natalia V. Bezuglaya, Andrii V. Nahornyi, Контроль оптичного просвітлення шкіри людини методом еліпсоїдальних рефлекторів , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 2 (2019)
Максим Олексеевич Коржик, Sergii Viktorovich Kurdiuk, Olexiy Volodymyrovych Korzhyk, Імпедансні характеристики пласко-паралельного акустичного хвилеводу з акустично м`якими границями при збудженні його двохчастотним сигналом , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 4 (2018)
Maksim Oleksiiovych Korzhyk, Serhii Viktorovych Kurdiuk, Oleksii Volodymyrovych Korzhyk, Імпедансні характеристики плоско-паралельного акустичного хвилеводу з комбінуванням межами при порушенні його двочастотних сигналом , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 3 (2018)
Yaroslav Ivanovych Starovoit, Oleksandr Hryhorovych Leiko, Механічні поля циліндричного п’єзокерамічного випромінювача силової конструкції в присутності акустичного екрана , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 22 № 6 (2017)
Maksym Serhiiovych Fil, Dnys Yurevych Lebeddev, Leonid Mykolaiovych Pavlov, Підвищення стійкості цифрового телебачення до перешкод , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 5 (2019)

1-10 з 58 Наступне

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.

[1] A. Johnstone, “CubeSat Design Specification Rev. 14.1,” Feb. 2022, URL: https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/62193b7fc9e72e0053f00910/1645820809779/CDS+REV14_1+2022-02-09.pdf .

[2] E. Kulu, “CubeSats & Nanosatellites - 2024 Statistics, Forecast and Reliability,” in 31st IAA Symposium on Small Satellite Missions, 2024, pp. 601–614, DOI: https://doi.org/10.52202/078365-0069 .

[3] H. Shim, O.-J. Kim, M. Park, M. Choi, and C. Kee, “Development of Hardware-in-the-Loop Simulation for CubeSat Platform: Focusing on Magnetometer and Magnetorquer,” IEEE Access, vol. 11, pp. 73164–73179, 2023, DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3294565 .

[4] M. K. Quadrino, “Testing the Attitude Determination and Control of a CubeSat with Hardware-in-the-Loop,” Massachusetts Institute of Technology, 2014, URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/91382 .

[5] F. L. Markley and J. L. Crassidis, Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York, NY: Springer New York, 2014, ISBN: 978-1-4939-0801-1. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0802-8_1

[6] “World Geodetic System 1984,” Sep. 1991, URL: https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADA280358.pdf .

[7] J. Stryjewski, “Coordinate Transformations,” URL: https://x-lumin.com/wp-content/uploads/2020/09/Coordinate_Transforms.pdf .

[8] Charles. Brown and W. Software. C Brown, Elements of Spacecraft Design. AIAA (American Institute of Aeronautics & Astronautics), 2004. ISBN: 978-1563475245

[9] Roger. Bate, D. D. Mueller, and J. E. White, Fundamentals of astrodynamics. Dover Publications, Inc., 1971.

[10] P. Cefola, D. A. Vallado, and P. J. Cefola, “Two-line element sets-Practice and use,” In 63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy, International Astronautical Federation, 2012.

[11] M. Palacios, “Kepler equation and accelerated Newton method,” J Comput Appl Math, vol. 138, no. 2, pp. 335–346, Jan. 2002, DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(01)00369-7 .

[12] A. Porras-Hermoso, J. Cubas, and S. Pindado, “On the satellite attitude determination using simple environmental models and sensor data,” J Phys Conf Ser, vol. 2090, no. 1, p. 012116, Nov. 2021, DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2090/1/012116 .

[13] “Comparison of Orbit Propagators,” MATLAB Documentation. [Online]. Available: https://www.mathworks.com/help/aerotbx/ug/comparison-of-orbit-propagators.html .

[14] M. Navabi and M. Barati, “Mathematical modeling and simulation of the earth’s magnetic field: A comparative study of the models on the spacecraft attitude control application,” Appl Math Model, vol. 46, pp. 365–381, Jun. 2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apm.2017.01.040 .

[15] Chulliat et al., “The US/UK World Magnetic Model for 2025-2030: Technical Report,” 2025, DOI: https://doi.org/10.25923/prbc-s316 .

[16] P. Alken et al., “International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation,” Earth, Planets and Space, vol. 73, no. 1, p. 49, Dec. 2021, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x .

[17] J.-F. Oehler, D. Rouxel, and M.-F. Lequentrec-Lalancette, “Comparison of global geomagnetic field models and evaluation using marine datasets in the north-eastern Atlantic Ocean and western Mediterranean Sea,” Earth, Planets and Space, vol. 70, no. 1, p. 99, Dec. 2018, DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-018-0872-y .

[18] D. Cilden-Guler, Z. Kaymaz, and C. Hajiyev, “Geomagnetic disturbance effects on satellite attitude estimation,” Acta Astronaut, vol. 180, pp. 701–712, Mar. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.12.044 .

[19] J. Kouba, “A guide to using International GPS Service (IGS) products,” Ottawa, Sep. 2015, URL: https://files.igs.org/pub/resource/pubs/UsingIGSProductsVer21_cor.pdf .

[20] A. El Fatimi, A. Addaim, and Z. Guennoun, “Study and design of an active magnetorquer actuator model for nanosatellites,” E3S Web of Conferences, vol. 351, p. 01051, May 2022, DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202235101051 .

[21] S. B. Örs, “Developing an Attitude Determination and Control System for 1U CubeSat,” Jun. 2024, DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.35088.42240 .