Contributions to the average attitude control of nanosatellites

Abstract

This work presents contributions with the average control method for the active attitude control of nano-satellites through the use of magnetorquers. Key concepts, constraints, and limitations due to the use of these actuators are presented. Then, based on a previous work employing an adaptive gain, a novel non-adaptive control law is proposed in order to decrease the energy consumption of the overall system without loss of stability. Theoretical guarantees regarding the ultimate bound of closed loop system trajectories are presented through the average method - applied on pre-established regions - and Lyapunov stability theory. Different simulation results illustrate the effectiveness of the proposed approach to achieve the desired attitude for different satellite configurations. A comparison between the new approach to the previous adaptive strategy available in the literature indicates that a considerable energy economy could be reached, with values reaching 70% for some cases. Control signal saturation is considered in some of the simulated scenarios but not mitigated.

Este trabalho apresenta contribuições no contexto do método de controle médio para o controle de atitude ativa de nanossatélites através do uso de magnetorquers. Os principais conceitos, restrições e limitações devido ao uso desses atuadores são apresentados. Em seguida, com base em um trabalho anterior empregando um ganho adaptativo, uma lei de controle nova, não adaptativa é proposta para diminuir o consumo de energia do sistema como um todo sem perda de estabilidade. Garantias teóricas referentes às fronteiras das trajetórias do sistema de malha fechada são apresentadas por meio do método de controle médio - aplicado a regiões pré-estabelecidas - e teoria de estabilidade de Lyapunov. Diferentes resultados de simulação ilustram a eficácia da abordagem proposta para alcan- çar a atitude desejada para diferentes configurações de satélite. Uma comparação entre a nova abordagem com a estratégia adaptativa anterior disponível na literatura indica que uma economia considerável de energia pode ser alcançada, com valores chegando a 70 % para alguns casos. A saturação do sinal de controle é considerada em alguns dos cenários simulados, mas não mitigada.