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 magnetômetro fluxgate tem importante papel na detecção, medida e investigação do campo magnético da Terra. Prospecção mineral, testes não destrutivos de materiais, avaliação das interferências nos enlaces de radiocomunicação, controle de atitude de aeronaves, são alguns das suas atuais utilizações. Os magnetômetros de núcleo saturado ou "fluxgate magnetometer", São dispositivos que medem a magnitude e direção de campos magnéticos, estáticos ou alternados, e seu funcionamento baseia-se na propriedade de saturação de ligas magnéticas moles, que possibilitam o chaveamento do fluxo magnético, devido a variação da permeabilidade magnética da liga usada como núcleo. Dificuldades na aquisição deste dispositivo são encontradas pelos usuários devido à restrição imposta pelos países que detêm essa tecnologia, pelo seu potencial uso em aplicações militares. O domínio dessa tecnologia a disponibilizaria à todas essas aplicações. Neste trabalho apresenta-se o projeto, constução e avaliação de um magnetômetro fluxgate para fins de pesquisas espaciais. Fez-se um estudo de várias configurações de magnetômetros, sendo optado pelo "magnetômetro de segundo harmônico realimentado". Simulações em Matlab mostraram as variações das amplitudes dos harmônicos pares da freqüência de excitação presentes no sinal de saída, com as variações do campo magnético. O ótimo desempenho encontrado nos testes do magnetômetro em laboratório e em campo, indica sua aplicabilidade em pesquisas geomagnéticas e em exploração mineral, além de, com uma versão um pouco mais simples, ser usado como instrumento para o controle de atitude de foguetes e satélites. A faxi de medida desse magnetômetro é de mais ou menos 1nT a mais ou menos 5000 nT, e sua sensibilidade em torno de 100uV/nT em toda a faixa de medida.

O presente trabalho trata da modelagem de sistemas ativos de abertura de painéis solares. Utilizou-se a plataforma do satélite CBERS como base para as simulações. O processo de modelagem foi integralmente feito no software de simulação de sistemas mecânicos ADAMS, versões 9.1 e 10.0. Atualmente, o sistema de abertura dos painéis solares do satélite CBERS é passivo, podendo ser comprometida a segurança de componentes da asa do satélite, devido ao impacto produzido no instante do travamento na posição aberta. Este trabalho procurou fornecer informações básicas a respeito de alguns dispositivos que poderiam ser utilizados para a realização do controle ativo da abertura. Procurou-se neste trabalho, limitar-se a fornecer valores de torques necessários a um motor elétrico, de forma que este possa ser selecionado e dimensionado. Durante este processo, foram considerados várias configurações e cenários de operação do sistema, tais como o uso ou não de redutores de velocidade, motores redundantes, e alguns casos críticos em que o valor do atrito nos mancais dos painéis fosse duas vezes maior do que o esperado. Propõe-se uma alternativa de uso de um motor, de forma que o torque exigido deste fosse o menor possível, dentro dos limites de tempo e velocidade final de abertura. Neste trabalho, estudou-se também o efeito da flexibilidade dos cabos de aço do mecanismo de sincronismo no movimento de abertura dos painéis.

Este estudo avalia a Global Precipitation Index (GPI), Negri Adler Wetzel Technique (NAW) e duas versões adaptadas nas várias resoluções temporais e espaciais sobre áreas continental e oceânica. As escalas temporais variaram entre 3 h a mensal, enquanto que a espacial de 100 a 10000 Km2. No primeiro caso, foram utilizados imagens infravermelho do satélite meteorológico Geoestacionary Meteorological Satellite-4 (GMS-4) e dados Constant Altitude Plan Position Indicator (CAPPI) de dois radares a bordo de navios na área do experimento oceanográfico Tropical Ocean-Global Atmosphere Project - Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE). No segundo caso, interior de São Paulo, utilizou-se imagens infravermelho do satélite Geoestacionary Operational Environmental Satellite 8 (GOES-8) dados CAPPI do radar meteorológico de Bauru. A obtenção das versões adaptadas das técnicas GPI e NAW, denominadas, respectivamente GPId e NAWd envolveram a modificação da temperatura limiar de chuva e não chuva e também as taxas ótimas de precipitação de cada técnica de acordo as diferentes resoluções espaciais e temporais. Além disso, definiram-se as técnicas padrões, GPIp e NAWp, que também envolveram a regionalização da temperatura limiar de chuva e não chuva e a substituição da taxa ótima de precipitação mensal para todas as outras resoluções temporais e todas as áreas estudadas. Posteriormente, foram calculadas a tendência, Root Mean Square Error (RMSE) médio e a correlação, para várias combinações temporais e espaciais, para três formas de amostragem espaciais diferentes: variação da área central da imagem; divisão da imagem em janelas de vários tamanhos sem sobreposição de linhas e colunas; e divisão da imagem em janelas de vários tamanhos mas com sobreposição de linhas e colunas. Para a maioria das combinações, as taxas ótimas encontradas apresentaram valores menores que os encontrados para a GPI e NAW. Os resultados obtidos indicaram que as taxas ótimas de precipitação sobre o oceano no TOGA COARE foram maiores do que sobre a área de abrangência do radar de Bauru. Além disso, as técnicas GPI e NAW superestimaram as taxas de precipitação em relação aos dados de radar, enquanto que as técnicas GPIp e NAWp superestimaram levemente as taxas de precipitação em relação aos dados de radar. Concluiu-se também que as técnicas GPId e NAWd; e GPIp e NAWp apresentaram menores valores de tendências e RMSE médios que os da GPI e NAW, para ambas as áreas de estudo, apesar das correlações serem constante para as técnicas GPI, GPId e GPIp e NAW, NAWd e NAWp. Este comportamento mostrou que a regionalização das técnicas GPI e NAW independe das correlações. As variáveis estatísticas mostraram que o desempenho das GPId e NAWd foi levemente superior aos das GPIp e NAWp, não compensando a utilização de taxas específicas para cada resolução. Assim, concluiu-se que com pequenas adaptações de temperatura limiar de chuva e não chuva e de taxa de precipitação pode-se estimar a precipitação com menores tendências e RMSE médios para resoluções temporais de 3 h a mensal e áreas de 100 a 10000 Km2, para as três formas de amostragem espacial analisadas.

A partir da formulação geral do geopotencial que envolve a anomalia média e os coeficientes de Hansen (função da excentricidade) procuramos um núcleo integrável para as equações do movimento do sistema dinâmico com ressonância. Estas equações admitem o estudo de ressonâncias de comensurabilidade qualquer entre a freqüência do movimento médio do satélite e a rotação da Terra. Introduzindo algumas hipóteses no geopotencial, que implicam no estudo isolado de cada ângulo crítico, encontramos duas integrais primeiras que tornam o sistema de equações diferenciais integrável. Este estudo só é possível devido às fórmulas de recorrência para os coeficientes de Hansen que permitem utilizá-los, sem desenvolvê-los em potências da excentricidade. O resultado torna-se interessante à medida que mostra a possibilidade de se trabalhar analiticamente, o que resulta numa série de facilidades, com sistemas ressonantes em altas excentricidades. Uma exploração numérica para órbitas com excentricidade até 0,9 encerra este trabalho dando uma visão qualitativa das possibilidades que se abrem a partir deste modelo analítico.

Os sistemas computacionais embarcados em satélites ou naves espaciais devem satisfazer os requisitos funcionais para os quais foram projetados durante toda missão sem receber qualquer manutenção. Em geral, estes sistemas são fortemente redundantes, possuindo um número de unidades reservas suficiente para sobreviver durante missão sem que sua capacidade computacional seja comprometida. Este trabalho descreve um estudo realizado com o objetivo de selecionar a arquitetura de um Computador de Supervisão de Bordo para um satélite projetado para uma missão de 10 anos de duração em órbita terrestre. As arquiteturas candidatas são baseadas nas utilizadas nos computadores tolerantes a falhas desenvolvidos no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para satélites de curta duração. Cada arquitetura selecionada foi analisada considerando a confiabilidade do sistema em função do número de unidades reservas e da taxa de falhas do módulo de reconfiguração, os pontos de falhas simples que podem levar o sistema para um estado inoperante e a complexidade do módulo de reconfiguração.

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.

Nesta tese é apresentado um método de simulação e testes práticos em plataforma de Rádio Definido por Software (RDS) para a avaliação de desempenho de transmissão de imagens multiespectrais coletadas pelo Satélite CBERS-2B. Foram avaliadas duas variantes de sistemas de comunicação de satélite: sistema sem codificação e sistema com codificação de fonte e canal. Os sistemas codificados seguem as recomendações espaciais definidas pelo CCSDS (Consultive Committee for Space Data Systems) para codificação de fonte e canal, sendo que, para a codificação de fonte, o algoritmo de compressão CCSDS-IDC foi aplicado nos modos de compressão com perdas e sem perdas e, para a proteção de canal foi aplicado o código convolucional básico de taxa 1/2 e comprimento 7 com decodificação por Viterbi. A partir de resultados teóricos, os sistemas implementados foram validados e comparados entre si através do desempenho de taxa de erros e qualidade da imagem recuperada para um nível especificado de relação sinal/ruído (SNR). Nos testes em canal real, a relação sinal/ruído foi ajustada através de estimação no receptor para alcançar a mesma relação aplicada nas simulações. Como resultados, foram observados os ganhos em desempenho para os sistemas codificados e a aproximação entre os modelos de simulação e práticos, permitindo a aplicação em testes de sistemas de sensoriamento remoto reais.

Este trabalho avalia duas leis de controle com atuação magnética para estabilização e apontamento de um satélite universitário de baixo custo, a ser lançado de carona e que deverá operar estabilizado por rotação (spin) em torno do seu eixo de maior momento de inércia. As duas leis de controle objetivam, partindo da separação do veículo lançador, apontar o eixo de maior momento de inércia do satélite em direção ortogonal ao plano da eclíptica e prover a rotação desejada para sua estabilização. Essa escolha de direção simplifica a análise da estabilidade das leis de controle. Pretende-se que os painéis solares nas laterais do satélite captem mais eficazmente energia solar para carregar as baterias embarcadas. Adicionalmente, o calor gerado pelos componentes embarcados pode ser dissipado pelos painéis superior e inferior do satélite, que não deverão ser demasiadamente expostos ao Sol. A primeira lei de controle é baseada no erro entre momentum angular de referência e o momentum angular do satélite. Já a segunda lei de controle é baseada no erro entre a velocidade angular de referência e a velocidade angular satélite. A primeira lei de controle apresentou resultado insatisfatório quando o movimento inicial foi de capotamento e não havia amortecimento de nutação passivo. No capotamento, a segunda lei investigada mostrou-se muito lenta no apontamento do satélite, o que representa risco para a missão, pois requer maior quantidade de carga elétrica. Assim, foi motivada a inclusão de amortecedor de nutação para auxílio ao sistema de controle. A malha de controle integra-se com os filtros de Kalman estendidos investigados em SANTOS (2008) para estimar o bias de magnetômetro, atitude e velocidade angular. O desempenho é reavaliado a partir de simulações de Monte Carlo, com 50 realizações, utilizando incertezas na estimativa inicial do filtro de Kalman maiores do que as utilizadas originalmente por SANTOS (2008) no movimento lento. Os sensores de baixo custo são um magnetômetro triaxial e sensores de Sol. Os atuadores de baixo custo são magnetotorqueadores com bobinas com núcleo de ar. Este trabalho também considera a dinâmica da corrente elétrica que circula pelas bobinas para avaliar o impacto da dispensa de drivers para regulação da corrente elétrica e consequente simplificação do sistema de acionamento dos atuadores. Também verifica o impacto da variação na tensão no barramento de alimentação elétrica dos atuadores. Inicialmente, o satélite é considerado como corpo rígido. Para amortecer mais eficazmente o ângulo de nutação, cujo decaimento leva dias no controle de atitude com atuação puramente magnética (WASCHBURGER, 2009), investiga-se o auxílio de um amortecedor mecânico de nutação. Nele, uma pequena massa sofre deslocamento devido ao movimento de nutação. O atrito drena energia cinética e, assim, busca-se alinhar o eixo de rotação com o eixo de maior momento de inércia. Resultados mostraram que o uso desta técnica é eficaz para as condições investigadas. São investigados amortecedores mecânicos de nutação com atrito viscoso e com atrito seco. As duas leis de controle investigadas apresentaram resultados satisfatórios quando foram adicionados amortecedores de nutação, isto é, o satélite foi devidamente apontado ortogonalmente à eclíptica em torno do quinto dia de operação. São comparados os resultados obtidos por simulação numérica em ambiente Matlab/Simulink, cuja precisão numérica é dupla, com resultados obtidos com HIL (Hardware-in-the-loop). Neste, uma réplica do computador embarcado se encarrega de executar os filtros de Kalman estendidos, modelos de referência e a lei de controle. Verificou-se o impacto dos erros numéricos do computador embarcado, cuja precisão numérica é simples, com apenas 32 bits.

Este trabalho propõe e avalia a aplicação da técnica de verificação model checking no desenvolvimento de software embarcado de satélites universitários. Inicialmente, apresenta uma revisão do cenário atual de projetos de satélites universitários, com foco no computador de bordo e a adoção de normas para este subsistema. Esta revisão aponta que os satélites universitários tendem a adotar estratégias simples e de baixo custo para garantir dependabilidade, o que torna o uso de model checking uma solução atrativa, viável e factível para verificação da especificação de software embarcado crítico destes satélites. Como estudo de caso, utiliza-se a ferramenta UPPAAL, baseada em autômatos temporizados, para verificação da especificação de software do módulo de comunicação (CM) do computador de bordo do satélite universitário ITASAT. Este módulo executa programas sequenciais que contemplam: recepção de telecomando, execução de comandos diretos, verificação dos principais canais e envio de telemetria. A primeira etapa do processo de aplicação de model checking consistiu na modelagem, de forma isolada, de cada um dos dois submódulos do CM. Para cada modelo, foram feitas verificações de propriedades básicas e dos requisitos de software. Foras discutidas estratégias práticas para contornar o problema de explosão de número de estados. Numa segunda etapa, os modelos dos dois submódulos foram integrados em um único modelo. Para o modelo integrado, foram verificadas as propriedades de alcançabilidade, ausência de deadlock e propriedades referentes a interação entre os módulos. Apesar das restrições de comandos disponíveis, devido ao problema de explosão de estados, foram criados cenários de verificação para observar a relação entre módulos. Ao final, conclui-se que a utilização do model checking permitiu a identificação de erros e de oportunidades de melhoria na especificação de requisitos e que é uma solução viável para atender a proposta de satélites universitários.