用户故事

多伦多大学学生与太空飞行实验室工程师合作设计和模拟纳米卫星控制系统

挑战

开发纳米卫星的精确控制,同时为研究生提供开发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

结果

  • 学生们为成功的工程生涯做好了准备
  • 满足或超过控制要求
  • 扩大与其他专家和大学的合作

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

罗伯特·齐博士,多伦多大学太空飞行实验室

通常重量小于10磅(4.5千克),纳米卫星比传统卫星轻100多倍,生产成本约为1%。为了满足尺寸和预算限制,大多数纳米卫星要么没有姿态控制系统,要么没有基本系统,不适合需要精确定位的应用。

多伦多大学航天研究所(UTIAS)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轨道上的纳米卫星的姿态控制系统,包括加拿大先进纳米空间实验2 (CanX-2)和CanX-6。

MathWorks工具是SFL控制系统设计过程的一部分。它们还能让研究生在现实世界的太空任务中获得实践经验。

“我们依靠这些产品建立传感器、驱动器下载188bet金宝搏和卫星质量特性的高保真模型;开发控制算法;并模拟整个控制系统来预测性能,”太空飞行实验室主任罗伯特·齐博士说。“我们的微型卫星是世界上第一批可以保持1度以内精确定位的卫星。有了这种精度,这些卫星可以用于真正的地球观测和天文任务。”

挑战

除了质量和体积的限制,纳米卫星发电的能力也有限。SFL紧张的预算和加速的发射计划导致工程师使用现成的、低成本的商用电子产品,而不是抗辐射的组件。“为了确保这些部件在太空中可靠地工作,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,无法在实验室对精密姿态控制系统进行全面测试,因此SFL必须依靠仿真来预测在轨性能。

为了培养空间系统工程的研究生,SFL需要学生已经知道或能够快速学习的开发工具。这些工具有助于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工具设计、模拟和构建CanX-2和其他纳米卫星的姿态控制系统。

在SFL工作之前,研究生们完成了Zee教授的微卫星设计I和II,他们使用MATLAB®和仿真软金宝app件®建立卫星系统的初步设计。

在Si金宝appmulink中,SFL团队对用于确定纳米卫星位置和方向的传感器进行建模,包括太阳传感器、磁强计、星体跟踪器和GPS接收机。他们还对用于控制卫星的组件进行建模,包括反作用轮、冷气体推进系统和磁控仪。组件模型实际卫星的接口和采样周期。

SFL使用MATLAB和Control System Toolbox™开发姿态控制系统的控制算法。他们使用Si金宝appmulink将传感器、执行器和控制器模型与卫星质量模型相结合,然后模拟该系统,以评估其在零重力环境下的性能。

“航天工具箱”使该团队能够估算大气阻力,并对脱轨情况进行再入分析。

SFL使用一个热室来测试在太空中遇到的温度范围内的电子元件。他们使用数据采集工具箱™在MATLAB中收集测试数据进行分析。利用MATLAB对电力系统进行建模,并对纳米卫星电池进行暂态功率状态分析。

该团队正在使用MATLAB分析从CanX-2和CanX-6下载的遥测数据,这两个卫星目前在轨道上运行。

目前,SFL正在研究CanX-4和CanX-5,这两颗纳米卫星将演示在近地轨道上精确自主编队飞行,以及CanX-3,这四颗纳米卫星将用于空间天文学。

结果

  • 学生们为成功的工程生涯做好了准备“在SFL项目中使用MATLAB和Sim金宝appulink为我们的学生提供了宝贵的实用空间系统工程经验,”Zee说。“我们的毕业生以高度胜任而闻名,他们中的许多人在空间工业或其他技术领域获得了卓越的职业。”

  • 满足或超过控制要求.Zee说:“CanX-2表现得非常好,指向精度在1度以内。“CanX-3被设计为稳定在1/60度以内,这对纳米卫星来说是前所未有的。没有MATLAB和Simulink,这种级别的控制是不可能实现的。”金宝app

  • 扩大与其他专家和大学的合作.Zee说:“当我们与多伦多大学的其他教授一起研究各种算法时,能够共享MATLAB模型是一个很大的好处。”“我们还与加拿大的其他大学合作,通过MATLAB和Simulink讲一种通用语言真的很有帮助。”金宝app