Diseño de un simulador de desempeño de apuntamiento de cargas útiles de observación terrestre ópticas en CubeSats en órbitas bajas.

Abstract

Los CubeSats, nanosatélites de bajo costo, se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones espaciales, incluida la observación terrestre. En estas misiones, la orientación de la carga útil precisa hacia la Tierra es crucial, pero está limitada por el rendimiento y el costo de los componentes del CubeSat. Este estudio aborda el desafío de encontrar el trade-off ideal entre costo y rendimiento en el Subsistema de Determinación y Control de Actitud (ADCS) para misiones de observación terrestre. Se implementó una suite de simulación para evaluar el rendimiento y el costo al utilizar diferentes componentes del ADCS. Los componentes fueron clasificados en tres niveles de calidad, y se cuantificaron los Measures of Performance (MoP) relacionados con la orientación, siendo estas la exactitud de apuntamiento, el jitter, la agilidad y el drift. Para el desarrollo del simulador, la dinámica orbital se modeló utilizando SGP4, mientras que el ADCS se implementó mediante algoritmo TRIAD, un error representativo del filtro de Kalman extendido (EKF), el diseño del controlador PD y la utilización de modelos orbitales. Con ello, se obtuvo como resultado un control más ágil utilizando actuadores de alta calidad, y una mejor exactitud de apuntamiento dependiendo mayormente del tipo de sensor a utilizar. Se presentaron diferentes respuestas a la vibración mecánica del jitter que dependen netamente de una buena calidad del sensor, y una menor sensibilidad en la acción de control del actuador. Los resultados mostraron un trade-off entre rendimiento y costo, donde una mayor calidad de componentes conllevó costos adicionales dentro de los límites definidos por los System Engineering (SE) envelopes, faltando considerar la implementación del EKF y el ruido en el giroscopio para completar el simulador, teniéndolo en consideración para trabajos futuros.

CubeSats, low-cost nanosatellites, are widely used in various space applications, including Earth observation. In these missions, precise orientation towards Earth is crucial, but it is limited by the performance and cost of CubeSat components. This study addresses the challenge of finding the ideal trade-off between cost and performance in the Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS) for Earth observation missions. A simulation suite was implemented to evaluate the performance and cost of using different ADCS components. Components were classified into three levels of quality, and Measures of Performance (MoP) related to orientation were quantified. These included pointing accuracy, which is the absolute error between the required and obtained axis, jitter represented as the power spectral density of the high-pass filter response, agility as the settling time with which the CubeSat stabilizes, and drift represented by the minimum angular velocity to prevent the satellite from leaving orbit. For simulator development, orbital dynamics were modeled using SGP4, while ADCS was implemented using the TRIAD algorithm, an-Extended Kalman Filter (EKF) representative error, PD controller design, and orbital models. As a result, more agile control was achieved using high-quality actuators, and better pointing accuracy depended mostly on the type of sensor used. Different responses to mechanical vibration-induced jitter were presented, depending heavily on sensor quality, and less sensitivity in the actuator control action. The results showed a trade-off between performance and cost, where higher component quality entailed additional costs within the limits defined by System Engineering (SE) envelopes. The implementation of the EKF and gyroscopic noise was not considered, leaving room for future work to complete the simulator.