Takım uyduların kalman süzgeci ve küresel konumlandırma sistemi kullanımı ile bağıl navigasyonu
Relative navigation of cluster satellites using kalman filters and global positioning system
Yazar: TUNCAY YUNUS ERKEÇ
Danışman: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
Milli Savunma Üniversitesi / Hezarfen Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı / Uzay Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences

Özet:
Çalışmamızda, takım uyduların, Kalman süzmesine ve küresel konumlandırma sistemi kullanımına dayalı bağıl navigasyon yapıları tasarlanmıştır. Uçan araç olarak uydu platformları ele anınmış olup referans uydu verileri benzetim metodu kullanılarak oluşturulmuştur. Uydu bağıl navigasyon mimarileri geliştirme çalışması kapsamında, özgün  üç adet hassas bağıl uydu vektör kestirimlerini elde eden Küresel Konumlama Sistemi (Global Positioning System (GPS)) tabanlı Kalman süzme algoritması oluşturulmuştur. Genişletilmiş Kalman süzgeci (Extented Kalman Filter (EKF)) tabanlı birinci kestirim algoritmamız, GPS-Uydu arasında ki sözde uzaklık (Pseudo-ranging) modeli ile elde edilen hedef/takipçi uydu bağıl vektörlerinin hassas şekilde kestirimini yapılmıştır. İkinci kestirim algoritmamız sayesinde Newton-Raphson model ile kaba şekilde elde edilen hedef/takipçi uydu bağıl konum bilgileri, Uyarlamalı Kalman süzgeçi (Adaptive Kalman Filter (AKF)) ile hassaslaştırılmıştır. Üçüncü kestirim algoritmamız olan arıza toleransı Kalman süzgeci (Fault Tolerant Kalman Filter (FTKF)) ile hatalara dayanıklı uydu bağıl vektör kestirimleri elde edilmiştir. 3 eksen uydu bağıl navigasyon kontrol algoritması, Proportional-Integral-Derivative (PID) tabanlı şeklinde oluşturulmuştur. Kontrol algoritması sonucu, uydu bağıl navigasyonu için gerekli uydu itici sistemi seçimi yapılmış, yanma süresi ve yakıt kütlesi hesaplanmıştır. Sistem hassasiyeti, tepki süresi ve mimari hızı hesaplanmış ve gerçek uydu formasyon mimari ile değerler uyumlu çıktığı gösterilmiştir. Önerilen yapılar, uydu bağıl navigasyon mimarisinde tüm eksenlerde kontrol sağlayabilmesi, yörünge J2 bozuntusunun uydu bağıl vektör kestirimlerine dahil edilmesi, Arıza toleranslı olması gibi özellikleri nedeniyle literatürdeki diğer çalışmaların önüne geçmektedir.

Abstract:
In our study, relative navigation structures of cluster satellites based on Kalman filtering and using global positioning system were designed. Satellite platforms were mentioned as flying vehicles and reference satellite data were created by using simulation method.Within the scope of the development of satellite relative navigation architectures, Global Positioning System (GPS) based Kalman filtering algorithm was created, which obtains unique three precise relative satellite vector estimates. Our first estimation algorithm based on the Extended Kalman Filter (EKF) has precisely estimated the target / follower satellite relative vectors obtained by the supposed distance (Pseudo-ranging) model between two GPS-Satellites. With our second estimation algorithm, target / follower satellite relative position information, which is obtained roughly with the Newton-Raphson model, was refined with the adaptive Kalman filter (AKF). Fault-tolerant satellite relative vector estimations were obtained with our third prediction algorithm which is Fault Tolerant Kalman Filter (FTKF). The 3-axis satellite relative navigation control algorithm was created as Proportional-Integral-Derivative (PID) based. As a result of the control algorithm, the satellite propulsion system required for satellite relative navigation was selected, then burning time and fuel mass were calculated. System sensitivity, response time and architectural speed were calculated Therefore is stated that the values were compatible with the real satellite formation architecture. The proposed structures preclude other studies in the literature due to their ability to control all axes in satellite relative navigation architecture, the inclusion of orbit J2 distortion in satellite relative vector estimations and their fault tolerance.