Sistema de determinación y control de la posición (y 2)

3.4 Métodos de determinación de la posición del satélite

Con los sensores escogidos se puede determinar un vector que describa el vector del campo magnético en el sistema SCB. Ahora se necesita un método que pueda definir la posición a partir de 2 vectores. La determinación de la posición del satélite es equivalente a hallar la matriz rotacional que describa la orientación del sistema SCB en el sistema ECI. Los métodos posibles se dividen en soluciones determinísticas y en algoritmos de estimación recursiva.
Soluciones determinísticas: Estos métodos precisan de al menos 2 medidas vectoriales obtenidas al mismo tiempo para determinar la posición en los 3 ejes. Si falta una medida vectorial las soluciones determinísticas no pueden dar una posición.. Algunas posibles soluciones son: TRIAD, SVD, Q-METHOD, FOAM, QUEST y ESOQ.
Algoritmos de estimación recursiva: utilizan tanto medidas presentes como pasadas para determinar la posición. El filtro Kalman o el filtro Kalman extendido son algoritmos de estimación recursiva que utilizan un modelo espacial del sistema. Hay muchos métodos de determinación de la posición determinísticos, que varían en exactitud y en carga de operaciones de cálculo. Sólo consideraremos aquí como algoritmo de estimación recursiva al filtro Kalman Extendido.

3.4.1 Elección del método de determinación de posición

La determinación de la posición será más simple y directa de determinar y probar si se utiliza una solución determinística. Utiliza lecturas de sensores en un momento dado y no incluye la dinámica del sistema. Cuando se monta en el satélite con sensores solares y magnetómetro, la determinación de posición determinística se puede verficar aplicando entradas del sensor conocido al sistema y observando si la posición es determinada correctamente. El filtro Kalman no se puede verificar de una forma simple, ya que tiene en cuenta la dinámica del sistema. Los métodos determinísticos tienen algunos defectos comparados con el filtro extendido Kalman, que se menciona más adelante.
Los métodos determinísticos requieren de al menos 2 medidas vectoriales para determinar la posición. Este es un problema cuando el satélite está en eclipse y si el vector de campo magnético medido y el solar están alineados.
Cuando el satélite está en eclipse no puede usarse la medida vectorial del Sol. Sin embargo, para nuestro caso sólo se necesita realizar la medida cuando el satélite está en la zona iluminada. Cuando está en modo de ahorro de energía y en modo cámara ambas magnitudes vectoriales se obrienen de los sensores.
Para el caso en el que el campo magnético y el vector del Sol están alineados la solución determinística no sería válida. Sin embargo, sobre Dinamarca esto no ocurrirá, pero la correción de albedo necesaria para compensar el albedo de la Tierra puede causar la colinealidad del vector campo magnético y vector del Sol. Esto es debido a que la dirección del vector medido con los sensores solares cambia con el albedo de la Tierra.
Si esto ocurre se asumirá la última posición conocida hasta que los vectores dejen de ser colineales, y esto tardará 1 ó 2 minutos, debido a la velocidad del satélite.

Se ha decidido escoger una solución determinística para la determinación de la posición.
Los paneles solares comprados para el suministro de energía son son de unión triple y también convierten la luz en el espectro infrarrojo en energía eléctrica. Esto quiere decir que la radiación infrarroja de la Tierra alimentará los paneles incluso en eclipse. Además de esto, el control de posición se beneficiaría de ser capaz de trabajar también en eclipse. Por esta razón se ha decidido añadir a la determinación de posición determinista un filtro Kalman extendido.
Con la configuración de sensor escogida sería posible estimar la posición en eclipse cuando se utiliza un filtro Kalman extendido y los datos del magnetómetro. Una obstáculo para esto sería la determinación de una matriz de inercia precisa. Sin embargo, si el filtro Kalman falla, la solución determinista se puede utilizar de todas formas.

3.4.2 Precisión de los modelos de referencia

La precisión de los sensores tendrán efectos diferentes en el método determinístico y en el recursivo. Además de las medidas vectoriales hechas con sensores en l sistema SCB, se necesitan modelos de referencia para determinar vectores adicionales en el sistema ECI. Se necesitan por el campo magnético y para determinar una dirección al Sol. Además se necesita un modelo orbital que proporcione una posición en órbita para el modelo del campo magnético.
No se espera mucha precisión para los sensores solares debido al albedo de la Tierra. El método determinístico confiará siempre en ambos sensores, lo cual significa que se necesita una buena corrección de albedo para compensar los grandes errores de los sensores solares. La corrección del albedo debe reducir el error del vector solar para asegurar un error en la posición del satélite por debajo de 8.
El filtro Kalman puede confiar en los datos del magnetómetro para determinar la posición, esto disminuye la importancia de los datos del sensor solar y de la corrección del albedo. Sin embargo, aquí se vuelve importante el modelo de campo magnético para determinar el vector magnético en el sistema ECI. Las especificaciones de los errores angulares para modelos de campos magnéticos del orden de 1 a 7 pulgadas en una altitud de 300 Kms varían de 0,1º a 10º. La precisión aumenta con la altitud. Se ha decidido que el error angular del modelo del campo magnético introducido en el ordenador de abordo sea inferior de 1º. El error angular del modelo solar será bastante menor que 1º, y seá despreciable comparado con los errores de albedo. La baja precisión del modelo orbital afectará en la precisión del modelo del campo magnético. La precisión del modelo orbital disminuirá con el tiempo. Basado en simulaciones iniciales con modelos orbitales existentes, parece que lo esperado es un modelo orbital con un error de posición máximo inferior de 100 Km después de una semana.

3.5 Arquitectura de la determinación de la posición
Se ha decidido desarrollar una determinación de la posición determinística y una recursiva. Esto nos ofrece la posibilidad de probar ambos métodos cuando el satélite está en órbita. Se han definido 3 operaciones diferentes de determinación de la posición. La operación primaria utiliza una combinación de un filtro Kalman extendido y la solución determinística. La secundaria usa sólo la determinística y la terciaria sólo el filtro Kalman. A continuación se describen los algoritmos utilizados:
Datos de proceso del magnetómetro: Los datos recolectados se procesan para un campo magnético medido. Esto incluye un interruptor Set/Reset, calibración, toma en cuenta de los errores del magnetómetro y la creación de un vector unitario.
Datos de proceso de la temperatura: Los sesnores de temperatura tienen una relación no lineal entre el resultado del sensor y la temperatura. El procesado de los datos de temperatura incluye los filtros necesarios, la determinación de la temperatura de las lecturas del sensor y toma en cuenta de errores de los sensores.
Datos de proceso del Sol: Tanto los sensores solares como los paneles solares se pueden utilizar para obtener datos del Sol. Esto incluye el seleccionar los sensores primarios o secundarios, el filtrado necesario y la calibración.
Corrección de la temperatura: Corrige los datos del Sol en base a las temperaturas medidas.
Corrección del albedo: los sensores son sesnsibles al albedo de la Tierra. Este algoritmo añade una contribución del albedo de la Tierra al vector del Sol en el modelo solar.
Modelo orbital: determina la posición del satélite basándose en los datos julianos
Modelo del campo magnético: el vector de campo magnético en el sistema ECI se determina basándose en la posición del satélite.
Determinación determinística de la posición: Se van a utilizar las medidas vectoriales en el sistema SCB y los vectores correspondientes en el sistema ECI. Las velocidades angulares del satélite se hallarán por determinación de la posición.
Filtro Kalman extendido: El filtro Kalman extendido estima las velocidades angulares y la posición dadas las medidas de los sensores, los modelos del sistema dinámico y las descripciones estadísticas de las incertidumbres asociadas con éstas.
Selector: Este algoritmo se utiliza en la operación primaria para seleccionar bien la solución determnística o bien la recursiva.
Para el modelo orbital y para el solar se requiere que la fecha se dé en datos julianos. El DHCS sincroniza su reloj después de cada ciclo, cuando se comunica con la estación de tierra. Esta hora se da en tiempo Unix, y se convierte a juliano cuando se usa en el ADS.

3.5.1 Operación primaria. Se ilustra en la siguiente figura. Será la operación por defecto, con la que el satélite comienza después del arranque o reinicio del sistema.

Criterios para la selección del método de determinación
La selección que se realiza en el bloque selector para la utilización de la determinación de la posición determinística o el filtro Karman se define como:
- Primeramente se determina una posición inicial por medio de una solución determinística para ser utilizada como filtro Kalman extendido. La determinación determinística sólo tiene que usar una serie de datos muestreados del sensor, para determinar la posición después de la cual la operación primaria utilizará el filtro Kalman extendido.
- Si el filtro Kalman no converge según lo esperado, se utilizará la solución determinística para reinicializar el filtro Kalman. Si esto ocurre durante eclipse se encontrará una solución determinística tan pronto como el satélite abandone el eclipe.
- El vector del campo magnético y el solar pueden ser determinados si son colineales por medio de una solución determinística. Si esto ocurre se utilizará la opción determinística hasta que encuentre una solución. Si después de 5 minutos no se encuentra una solución determinística, el filtro Kalman utilizará una posición inicial por defecto en vez de la solución determinística.

3.5.2 Operación secundaria
Se utiliza sólo la determinación de posición determinística. Es útil si el filtro Kalman falla

3.5.3 Operación terciaria
Utiliza sólo el filtro extendido Kalman. Para inicializar el filtro se utilizan los valores por defecto, en vez de utilizar la solución determinística como en la operación primaria. La operación puede ser utilizada para probar el filtro Kalman extendido en solitario. Esta operación también puede ser útil si tanto los sensores solares primarios como los secundarios están perdidos, haciendo imposible determinar la posición con el método determinístico.

3.6 Configuración del ADS
Debe ser posible la reconfiguración del sistema a partir de sus valores por defecto. Será posible actualizar los siguientes parámetros desde tierra:
Elementos de 2 lineas: Elementos Kepler que se usan para actualizar el modelo orbital. Se obtendrán cuando se dispongan del NORAD para asegurar la precisión del modelo orbital.
Lista negra de sensores : Se utilizan para excluir los sensores, paneles solares, magnetómetros y medidas de corrientes de las bobinas defectuosos.
Configuración del magnetómetro: Para la selección o no de la técnica de set-reset en el magnetómetro.
Factores de calibración para los sensores solares: Los factores de calibración para compensar las variaciones de foto sensitividad en los 6 sensores solares.

Factores de calibración para el magnetómetro: Para compensar los campos magnéticos constantes debidos a la estructura del satélite.
Corrección de albedo ON/OF: Selector de control de albedo
Umbral de luz solar: para determinar si el satélite está en eclipse, cuando se compara con el resultado de los datos del sensor.
Modo de operación: Elección de qué modo de operación utilizar. Por defecto se elige la operación primaria.
Los elementos 2 lineas deben ser actualizados en el ACDS cuando sea posible para asegurar un modelo orbital preciso. El resto de las opciones configurables son para reparar el ADS. El ADS puede sobrevivir a un número de errores en los diferentes sensores. Si un sensor falla es necesario utilizar un sensor redundante o reconfigurar el sistema para determinar la posición sin ese sensor. Se ha decidido mantener un nivel de autonomía en el ADS bajo, para mantener un diseño sencillo. Los errores en los sensores deberían de ser detectados y enviados en los datos de estado interno que se envían a la tierra. La reconfiguración del ADS se hace entonces desde tierra. Si un sensor deja de funcionar bien puede suponer un error en la determinación de la posición seguido por el control de la posición. Si esto ocurre antes o durante el satélite toma la foto, la foto puede salir desviada. Antes de la reconfiguración desde tierra pueden salir mal una o dos fotos debido al error.