Um Sistema de Controle de Atitude (SCA) requer estimativas da atitude e velocidade angular em tempo real para que, em malha fechada, ele possa corrigir o apontamento do satélite conforme desejado. Essas estimativas são produzidas por um Sistema de Determinação de Atitude (SDA), o qual se constitui basicamente de sensores e de métodos de estimação. O desenvolvimento de satélites de baixo custo motiva pesquisas sobre métodos que possibilitam a estimação de atitude e velocidade angular tendo em vista o uso de medidas apenas de sensores de atitude, evitando-se o emprego de girômetros. Sensor solar e magnetômetro são sensores de atitude comumente utilizados por apresentarem baixo consumo de energia, ocuparem pouco espaço, serem leves e baratos. O presente trabalho tem por objeto revisar métodos de estimação baseados no filtro de Kalman estendido (EKF) e propor, com o intento de investigação, métodos semelhantes baseados no filtro de Kalman unscented (UKF). Adicionalmente, propõe-se ao final um SDA autônomo para satélites de baixo custo, estabilizados por rotação ou controlados em 3 eixos, que se movem em órbitas terrestres baixas e embarcam magnetômetro e sensores solares. Os estimadores desse sistema são avaliados com dados simulados. Os resultados indicam que o conjunto de sensores que se pretende utilizar no satélite universitário ITASAT produz estimativas que divergem durante movimentos angulares lentos em períodos de eclipse solar. Dessa forma, o controle de atitude em 3 eixos baseado nas estimativas de atitude e de velocidade angular produzidas pelo SDA proposto deve ser avaliado cautelosamente para que, mesmo em períodos de eclipse, seja capaz de prover segurança térmica cumprindo com a restrição de ortogonalidade entre o eixo de simetria do satélite e a direção do Sol. Os resultados obtidos serão utilizados no SDA do satélite ITASAT em desenvolvimento no ITA sob a égide da Agência Espacial Brasileira.

O presente trabalho propõe e avalia, através de simulação, um Sistema de Controle de Atitude (SCA) autônomo, para satélites estabilizados por rotação (spin), utilizando como atuadores apenas magnetotorqueadores (MTQ), sem utilizar dispositivos passivos para amortecimento de nutação, e como sensores apenas magnetômetro e sensor de Sol. São utilizados três MTQ, formando um ângulo de 90 entre si, sendo apenas um ativo a cada instante e podendo apresentar os seguintes estados de funcionamento: ligado "positivamente", ligado "negativamente" ou desligado. O SCA ativa o magnetotorqueador que minimiza a condição de estabilidade assintótica, sendo controlados simultaneamente a magnitude e a direção do eixo de spin. Os estados do satélite, utilizados pelo SCA para avaliar a condição de estabilidade assintótica e chavear o magnetotorqueador mais adequado, são sua atitude e velocidade angular, que são estimadas pelo Sistema de Determinação de Atitude (SDA) a partir das medidas dos sensores citados anteriormente. Este SDA emprega estimadores de bias, atitude e velocidades angulares, sendo as estimativas geradas por um filtro de Kalman estendido (EKF). O eixo de spin deve se manter apontando ortogonalmente ao plano da eclíptica com velocidade de aproximadamente 40 rpm durante a fase operacional. O SCA é avaliado para o satélite universitário ITASAT, o qual é modelado como um corpo rígido, com massa de 73,6 kg, dimensões de 700x700x650 mm e momentos principais de inércia em torno de 6,5 kgom2, nos eixos perpendiculares à direção de spin, e 8,0 kgom2, na direção do eixo de spin. A missão do referido satélite é desempenhada em uma órbita circular, com altitude de 750 km e inclinação de 25. Os torques de perturbação avaliados são os devido ao gradiente de gravidade e devido às correntes induzidas. A parametrização da atitude do satélite é realizada através de quatérnio. Utiliza-se como modelo de campo geomagnético o World Magnetic Model (WMM-2005) e como modelo de mecânica celeste o Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model 4 (SGP4), juntamente com um modelo embarcado de órbita Kepleriana, considerando apenas a perturbação J2. São consideradas incertezas no tensor de inércia, no valor dos atuadores e nas medidas dos sensores, bem como erros provenientes do SDA. Como condições iniciais, são avaliados dois cenários, ambos com erro de apontamento inicial de 15, e apresentando, respectivamente, spin inicial de 120 rpm e 0 (zero) rpm. A partir das simulações, verifica-se que o satélite atinge a atitude desejada após 10 dias para o spin inicial de 120 rpm e 5 dias para a outra condição avaliada. Finalmente, o SCA mostra-se bem-sucedido em regime, após uma fase inicial de manobras, mantendo o eixo de spin nominalmente perpendicular à eclíptica com velocidade de spin de 40 rpm, apresentando apontamento com erro inferior a 2,5 e erro de velocidade de spin com magnitude inferior a 1 rpm, e sendo o movimento de nutação amortecido e mantido com valor inferior a 1,5.

O presente trabalho propõe um Sistema de Controle de Atitude (SCA) autônomo em malha fechada com um Sistema de Determinação de Atitude (SDA) para satélites de baixo custo estabilizados por roda de momentum e magnetotorqueadores (MTQ) e utilizando como sensores um magnetômetro triaxial e sensores da direção do Sol. O satélite estudado é estabilizado em três eixos com uma única face voltada para o Sol. Possui uma roda de momentum para prover rigidez giroscópica e gerar torques para apontamento das antenas em torno do eixo da roda, o qual é alinhado na direção perpendicular à face voltada para o Sol. O apontamento dessa face em direção ao Sol e o amortecimento de nutação são realizados pelos magnetotorqueadores. O SCA, em malha fechada, é realimentado por estimativas da atitude em 3 eixos e da velocidade angular do satélite fornecidas pelo SDA. O SDA consiste em um filtro de Kalman estendido (FKE) que processa as medidas vetoriais da direção do Sol e do campo geomagnético para gerar as estimativas. É feita a avaliação estatística do desempenho do FKE com base em simulações de Monte Carlo. O sistema aqui desenvolvido originalmente objetivou ser embarcado no satélite universitário ITASAT de forma a prover mais potência elétrica e sem a oscilação que ocorre em uma configuração estabilizada por rotação spin. O satélite é modelado como um corpo rígido, com massa de 85 [k

A estimação de atitude e velocidade angular para um satélite pode ser realizada tanto por métodos instantâneos, quanto por de estimação recursiva de estado, que quando implementados com precisão restrita na representação das variáveis em ambiente embarcado, podem apresentar comportamentos adversos como consequência de erros de truncamento numérico no processamento embarcado. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho de cada um desses métodos de estimação de atitude e velocidade angular aplicados a 2 configurações distintas de satélites estabilizados em 3 eixos. A primeira configuração considera um satélite estabilizado por rotação dual, que utiliza como algoritmo estimador de atitude uma formulação do filtro estendido de Kalman (EKF), que sofre deveras com problemas de instabilidade numérica em ambiente embarcado 32 bits. São consideradas, então, quatro formulações alternativas ao EKF: o filtro com processamento sequencial das medidas (EKFSeq), o filtro com fatoração de Cholesky da matriz de covariância da inovação (EKFChol) e os filtros de raiz quadrada (SRKF) e com fatoração UD da matriz de covariância (UDKF), todas algebricamente equivalentes ao EKF, mas com características melhoradas de susceptibilidade a erros numéricos. A segunda configuração analisada considera um satélite estabilizado por triedro de rodas de reação e emprega somente algoritmos estimadores baseados em abordagens instantâneas: TRIAD, interseção de cones e QUEST para a estimação de atitude combinados com abordagens derivativas para a estimação de velocidade angular. O desempenho dos algoritmos estimadores é analisado para cada configuração de satélite por meio de simulações do tipo hardware-in-the-loop (HIL), sendo os algoritmos implementados em ambiente embarcado com 32 bits, o que permite verificar a susceptibilidade de cada formulação a erros numéricos. Por fim, considera-se também, para cada configuração, uma análise acerca do efeito desses erros de origem numérica no desempenho em malha fechada do sistema.

O problema de manobras ótimas de atitude de um satélite artificial com simetria cilíndrica ou esférica é analisado, considerando um sistema de propulsão a baixo empuxo e potência limitada. O problema de Mayer, com o sistema dinâmico descrito pelas equações do movimento rotacional do satélite, na forma canônica estendida, nas variáveis de Andoyer, é considerado. Um modelo analítico para manobras de atitude de pequena amplitude, considerando a atitude de referência descrita pelo movimento rotacional livre de torques externos do satélite, é apresentado. Uma solução analítica de primeira ordem para as correções ótimas de atitude de satélite, é obtida por simples quadraturas, e representada por um sistema linear algébrico, envolvendo os valores iniciais das variáveis adjuntas. Os efeitos do torque de gradiente de gravidade no controle ótimo de atitude do satálite, são incluídos. O problema de manobras ótimas de atitude do satélite, formulado em termos dos ângulos de Euler, também é analisado. Aplicando o Princípio de Máximo de Pontryagin ao problema de otimização, nas variáveis ângulos de Euler, um problema não-linear de valor de contorno em dois pontos, é determinado. Uma solução numérica é obtida resolvendo-se o problema não-linear pelo método do shooting. A comparação dos resultados numéricos e anlíticos mostram que as soluções analíticas fornecem uma boa aproximação da solução numérica, para o intervalo de tempo considerado.Os resultados obtidos mostram que é possível propor uma lei de controle ótimo, na forma explícita, para a atitude do satélite artificial.

O presente trabalho visa pesquisar a existência da estabilidade nos pontos de equilíbrio dos satélites de baixa altitude, sujeitos à ação dos torques gravitacional e aerodinâmico. O satélite em estudo encontra-se em uma órbita circular, sujeito à força de arrasto aplicada em seu centro de pressão e no sentido oposto a sua velocidade. Os pontos de equilíbrio estáveis são obtidos através do estudo da equação do equilíbrio e da equação característica do sistema, utilizando-se o critério de Routh Hurwitz. A utilização dos parâmetros x e y, que relacionam os momentos principais de inércia do satélite, permitem a apresentação das regiões de estabilidade no plano x e y, ou seja, cada um dos pontos que formam essas regiões representa uma distribuição de massa de um satélite em equilíbrio estável. O estudo foi dividido em três casos, buscando demonstrar a influência sobre a estabilidade devido a variação do posicionamento do centro de pressão: o ponto em que a resultante do arrasto é aplicada. Para isto, foi utilizada a abordagem numérica, o que tornou possível a apresentação dos resultados.

Neste trabalho é analisado o movimento rotacional ou de atitude de um satélite artificial em órbita circular terrestre, o qual está sujeito a influência do torque devido ao gradiente gravitacional e possui quantidades de movimento angular devido à presença de três rotores internos. As velocidades angulares internas têm seus vetores coincidentes com os eixos principais de inércia do referido satélite. São determinadas as regiões de estabilidade para um satélite genérico, ou seja, com configurações variadas dos parâmetros inerciais, para casos contendo um, dois ou três rotores internos. Para o estudo da estabilidade destes casos, as quantidades de movimento angular são constantes. A determinação das regiões de estabilidade para um satélite contendo três rotores internos, é realizada com quantidades de movimento angular variáveis e posicionamento angular fixo. Os casos nos quais o satélite possui um rotor interno, alternado em seus três eixos principais, têm suas regiões de estabilidade determinadas de forma analítica e numérica, sendo que a forma numérica compõe um programa geral aplicável a todos os casos. O segundo tópico focalizado é a otimização da atitude, para a mudança de posicionamento angular do satélite, em relação ao sistema de coordenadas da órbita. Para determinação das trajetórias ótimas, são elaborados programas numéricos, os quais utilizam como sinais de controle os torques aplicados nos eixos dos rotores internos. São apresentados programas para problemas distintos: "energia" mínima, tempo mínimo e um problema de otimização com índice de desempenho misto entre "energia" e tempo mínimos. A solução de um problema com a minimização do tempo, incluindo limitações nos valores absolutos dos controles (bang-bang), é extremamente difícil. Logo, é apresentada uma alternativa para sua solução problema, utilizando um índice de desempenho para "energia" mínima de controle. Os programas são implementados com o auxílio do "software" MatLab 6.0, no qual é utilizado o comando bvp4c de seu bloco de otimização, para a solução de problemas de valor de contorno em dois pontos.

Satélites artificiais, em sua grande maioria, requerem algum tipo de sistema de controle de atitude (SCA) embarcado. A utilização de simuladores para avaliar este tipo de sistema é uma técnica bastante difundida na _área de engenharia, pois viabiliza a realização de testes de maneira rápida e a um custo menor do que utilizando ambientes com componentes reais. Contudo, de ciências no desenvolvimento de softwares embarcados podem ser difíceis de detectar quando o ambiente de teste não leva em consideração restrições comuns aos ambientes de tempo real. Partindo deste preâmbulo, este trabalho apresenta e analisa a modelagem em UML (Unified Modeling Language) de um sistema de controle de atitude autônomo para satélites estabilizados por rotação, bem como implementação de um ambiente de teste, com base na técnica de simulação hardware-in-the-loop, utilizando um sistema operacional de tempo real para escalonamento das tarefas, e um típico computador de bordo com processador ERC32. Na simulação hardware-in-the-loop o SCA é realimentado por estimativas da atitude em 3 eixos e da velocidade angular do satélite fornecidas pelo sistema de determinação de atitude (SDA). O SDA consiste de um filtro de Kalman estendido (FKE) que processa as medidas vetoriais da direção do Sol e campo geomagnético para gerar as estimativas. Resultados experimentais mostram que o sistema de controle de atitude foi bem-sucedido em regime após uma fase inicial de manobras para aquisição da atitude desejada.