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多伦多大学的学生与太空飞行实验室的工程师一起设计和模拟纳米卫星控制系统

挑战

发展纳米卫星的精确控制,同时为研究生提供发展卫星技术和管理实际任务的经验

解决方案

利用MATLAB和Simuli金宝appnk对纳米卫星姿态控制系统进行设计、建模和仿真

后果

  • 学生为成功的工程生涯做好准备
  • 控制要求达到或超过
  • 与其他专家和大学的合作扩大了

“通过与空间系统工程师并肩工作,我们的研究生获得了在太空中实际飞行的系统的实践经验。”

多伦多大学航天飞行实验室Robert Zee博士

纳米卫星的重量通常不到10磅(4.5公斤),比传统卫星轻100多倍,成本仅为传统卫星的1%。为了满足尺寸和预算的限制,大多数纳米卫星要么没有姿态控制系统,要么使用不适合需要精确定向的应用的基本系统。

多伦多大学航空航天研究所(UASAS)空间飞行实验室(SFL)的研究生和工程师设计、分析和模拟精确控制在轨的纳米卫星的姿态控制系统,包括加拿大先进的纳米空间实验2(CANX-2)和CANX-6。

MathWorks工具是SFL控制系统设计过程中不可或缺的一部分。它们还使研究生能够获得实际空间任务的实践经验。

“我们依靠这些产品建立传感器、执行器下载188bet金宝搏和卫星质量特性的高保真模型;开发控制算法;模拟整个控制系统以预测性能,”空间飞行实验室主任Robert Zee博士说。“我们的纳米卫星是世界上最早能够将精确定向保持在1度以内的卫星之一。有了这一精度水平,这些卫星可以用于实际的地球观测和天文任务。”

挑战

除了质量和体积限制外,纳米卫星发电能力有限。SFL的紧缩预算和加速的发射计划使得工程师们使用现成的、成本较低的商业电子产品,而不是抗辐射的组件。“为了确保这些部件在太空中可靠工作,我们需要非常小心地围绕它们进行设计,”Zee说。

由于重力和气流的影响,不可能在实验室中完全测试精确的姿态控制系统,SFL不得不依靠模拟来预测在轨性能。

为了在空间系统工程方面培养研究生,SFL要求学生已经知道或能够快速学习的开发工具。这些工具可以促进工程团队之间的合作,并使学生获得他们在职业生涯中可以利用的实践经验。

解决方案

SFL的研究生和空间系统工程师使用MathWorks工具为CanX-2和其他纳米卫星设计、模拟和构建姿态控制系统。

在SFL工作之前,研究生们完成了Zee教授的微型卫星设计I和II课程,他们在这两门课程中使用了MATLAB®和Sim金宝appulink®建立卫星系统的初步设计。

在Si金宝appmulink中,SFL团队模拟了用于确定纳米卫星位置和方向的传感器,包括太阳传感器、磁力计、恒星跟踪器和GPS接收器。他们还模拟了用于控制卫星的组件,包括反作用轮、冷气体推进系统和磁力矩器。组件模型反映了实际卫星的界面和采样周期。

SFL使用MATLAB和控制系统工具箱™ 为姿态控制系统开发控制算法。利用Simulink,他们将传感器、执行器和控制器模型与卫星质量模型相结合,然后对系统进行模拟,以评估其在零重力环境中的性能。金宝app

航空航天工具箱使该小组能够估计大气阻力,并对脱离轨道的情况进行再入分析。

SFL使用热室在太空中遇到的温度范围内测试电子元件。使用数据采集工具箱™ 他们收集了测试数据,在MATLAB中进行分析。MATLAB还被用于电力系统建模和纳米卫星电池的瞬态功率状况分析。

该小组正在使用MATLAB分析从CanX-2和CanX-6上下载的遥测数据,这两个卫星现在都在轨道上。

目前,SFL正在研制CanX-4和CanX-5两颗纳米卫星,这两颗卫星将在近地轨道上展示精确的自主编队飞行,以及CanX-3,这四颗纳米卫星将用于空间天文学。

后果

  • 学生为成功的工程生涯做好准备.“在SFL项目中使用MATLAB和S金宝appimulink为我们的学生提供了宝贵的实际空间系统工程经验,”Zee说。“我们的毕业生以能力强而闻名,他们中的许多人会在太空工业或其他技术领域获得伟大的职业生涯。”

  • 控制要求达到或超过. “CanX-2的性能非常好,精确指向1度以内,”Zee说。“CanX-3的设计稳定在1/60度以内,这对于纳米卫星来说是前所未有的。没有MATLAB和Simulink,这种控制水平是不可能实现的。”金宝app

  • 与其他专家和大学的合作扩大了. “当我们与多伦多大学的其他教授合作使用各种算法时,能够共享Matlab模型是一个很大的好处,”Zee说。“我们还与加拿大的其他大学合作,通过MATLAB和Simulink讲一门通用语言真的很有帮助。”金宝app

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