Kuaternion ve genişletilmiş Kalman süzgeci kullanılarak alçak yörünge uydusunun yönelme kestirimi
Attitude estimation of low earth orbit satellite by using quaternion-based extended Kalman filter
Yazar: HAKAN AYKENT
Danışman: PROF. DR. ÇİNGİZ HACIYEV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Ekonomik olmaları, az enerji sarf etmeleri ve az yer kaplamaları nedeniyle, uydu yönelme tespitinde güneş algılayıcıları ve manyetometreler sıklıkla kullanılmalıdır. Özellikle alçak yörünge uydularında manyetometrelerin kullanımına daha sık rastlanmaktadır. Ancak, manyetometrelerin ölçüm hatalarının yüksek olması, bazı görev isterlerini karşılayamamasına neden olur. Bu hataların azaltılması için uygun algoritmaların kullanılması ve görev isterlerini yerine getirebilecek doğrulukta ölçüm sonuçlarının elde edilmesi gerekir. Uygulanan algoritmaların, her sistem yapılandırmaya göre ayarlanması, algoritmanın yetersiz kaldığı yerde başka bilgilerle beslenmesi, görev sırasından meydana çıkan anlık hatalara karşı dayanıklı kılınması, yönelme tespit görevinin yerine getirilmesi için hayati önem taşımaktadır. Çalışmada, bir alçak yörünge uydusunun yönelme kestirim yöntemleri incelenmiştir. Öncelikle bir literatür taramasıyla önceki çalışmalar gözden geçirilip, daha sonra teorik modellerin matematiksel geçmişi hakkında kısa bir giriş yapılmıştır. Kuaterniyonlar, Dünya'nın manyetik alan referans vektörü, Güneş vektörü incelenmiştir. Q Yöntemi, En Yakın Komşu Yöntemi ve Genişletilmiş Kalman Süzgeci (GKS) açıklanmış, teorik altyapısından bahsedilmiş ve benzetim çalışmaları verilmiştir. Bu benzetim sonuçlarının ardından, Q Yöntemi, En Yakın Komşu yöntemi ve Genişletilmiş Kalman Süzgeciyle sırasıyla benzetime sokulmuştur. Her algoritması başlangıç koşulları olarak diğerine sonuçlarını almaktadır. Aynı zamanda uydunun gölgede kaldığı ve güneşte kaldığı durumlar ardışık olarak benzetime sokulmuştur. Bu durum Kalman Süzgecinin kullandığı algılayıcı girişlerini etkilemektedir. Sonuçlar kısmında ise yapılan çalışma gözden geçirilmiş ve ileride üzerine neler eklenebileceği konusunda önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Sun sensors and magnetometers are often used in satellite attitude determination systems, because of their low power requirement, low cost and low mass character. In particular, the uses of magnetometers are more common among low-orbit satellites. However, a magnetometer measurement error is high and it does not meet some of the space mission requirement. To obtain accurate measurement results by reducing these errors and to carry out the mission requirement, appropriate algorithms must be used. To fulfill the mission requirements, applied algorithms should be adapted for each system configuration, when the algorithm is inadequate it should be fed by some other inputs, it should be less sensitive to disturbances. In the work, attitude estimation methods of a low earth orbit satellite are investigated. First, a literature review has been done to review the previous works, then a brief introduction about mathematical background of theoretical models is given. Quaternions, Earth?s magnetic field reference vector, Sun vector are examined. The theory behind Q Method, Nearest Neighbor Algorithm and Extended Kalman Filtering is given and the simulation studies are shown. After the results of these simulations, Q Method, Nearest Neighbor Algorithm and Extended Kalman Filtering are simulated in order. Each algorithm passes its results to next one as initial conditions. Also a scenario is applied as shadow and sunlit consecutively which effects Kalman Filter input. In discussion, these methods are discussed and the possible future studies are suggested.