Bir gözlem uydusunun tasarımı, analizi ve kontrolü
Design, analysis and control of a observation satellite
Yazar: MEHMET FATİH ERCAN
Danışman: PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gözlem uyduları, farklı amaçlar için kullanılan yapay uydulardır. Teknoloji geliştikçe gözlem uyduları geliştirilmektedir ve ortam şartlarına daha uygunları yapılmaktadır. Gelişmiş ülkelerin çoğu yer gözlem uydularına sahiptir ve bu uydular üzerine çalışmalar yapmaktadırlar. Özellikle, küçük yapılı gözlem uyduları günümüzde gittikçe popüler bir hale gelmektedir. 
Ülkemiz, ilk olarak 2011 yılında uzaya gözlem uydusu göndermiştir ve bu uydudan sonra Göktürk-2 ve Göktürk-1 uydusunu uzaya göndermiştir. Günümüzde Göktürk-3 uydusu çalışmaları devam etmektedir ve yakın bir zamanda da uzaya gönderilecektir. Ayrıca, yakın zamanda haberleşme uydusu Türksat-4A uydusu uzaya gönderilmiştir. Yakın bir zamanda yeni haberleşme uydusu tamamlanarak uzaya gönderilecektir.
Bu tez çalışmasında, uzayda aktif olarak görev yapan bir uydunun özellikleri ve literatür taraması sonucunda elde edilen veriler kullanılarak bir uydu modeli hazırlanmıştır. Bu uydu modelinin tasarımı, yapısal analizleri, doğal frekanslarının analizi, rastgele titreşim analizi, harmonik analizi, akustik analizi, termal analizi ve durum kontrolü yapılmıştır.
Solidworks katı modelleme programında elde edilen verilerden yararlanılarak bir uydu modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bu uydu modelinin tasarımını etkileyen faktörler belirlenmiştir. Bu faktörler göz önüne alınarak tasarımlar yapılmıştır ve uydu içerisinde alt sistemlerin yerleşimi yapılmıştır. Uydu güneş panelleri, mekanizma tarafından kilitli durumdadır. Güneş panelleri mekanizmaya gelen sinyalle beraber serbest kalmaktadır ve damper, bant yay etkisiyle açık konumuna gelmektedir. Ayrıca, damper ve bant yay sayesinde şokların genlikleri azaltılmaktadır.
Tasarımı yapılan uydu modelinin yapısal analizi Ansys'te yapılmıştır. Yapısal analiz sonucunda, roket kullanım kılavuzunda yer alan koşullar dikkate alınarak, uydu modelinin dayanıklı olduğu görülmüştür.
Uydu modelinin doğal frekansları, Ansys programında bulunmuştur. Tasarlanan uydu modelinin, roket üreticileri tarafından istenen katılık gereksinimini karşıladığı görülmüştür. Tasarlanan uydu modelinde rezonans oluşmamaktadır. Tasarlanan uydu modelinde rastgele titreşim analizi yapılmıştır. Bu analiz sonucunda, uyduda meydana gelen deformasyon, gerilme, ivme ve hız sonuçları elde edilmiştir. Tasarlanan uydu modelinde düşük frekanslı harmonik analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda, farklı faz açılarında uyduda meydana gelen deformasyonlar, gerilme, genlik ve gerilme frekans diyagramları elde edilmiştir. Tasarlanan uydu modelinde akustik analiz yapılmıştır. Bu analiz sonucunda, oktav band merkez frekanslarında deformasyonlar ve gerilmeler elde edilmiştir.   
Thermica programı kullanılarak alt sistemlerin yerleştirilmesi yapılan uydu modeli analiz edilmiştir. Analiz sonucunda, gövdede ve alt sistemlerde oluşan sıcaklık aralıkları elde edilmiştir. Alt sistemlerin sıcaklık aralıkları incelendiğinde, standart olarak belirlenen sıcaklık aralığında olduğu görülmüştür.
Uydu durum kontrolü yapabilmek için tasarlanan uydu modelinin parametrelerinden yararlanarak matematiksel model çıkartılmıştır. Bu matematiksel modelden yararlanarak durum-uzay formuna geçiş yapılmıştır ve bu form uydunun kontrolsüz halinin simülasyonunda kullanılmıştır. Kontrolör olarak H∞ kontrolör ve karma H2/H∞ kontrolör kullanılmıştır. Kontrolsüz durum ile H∞ kontrolör karşılaştırılmıştır. Kontrollü durumda uydunun yörüngeden sapmadığı görülmüştür. H∞ kontrolör ile karma H2/H∞ kontrolör karşılaştırılmıştır. Karma H2/H∞ kontrolörün daha iyi cevaplar verdiği görülmüştür.

Abstract:
Earth observation satellites are artificial satellites used for different purposes. As technology developed, earth observation satellite has developed and earth observation satellite are made more suitable for environmental conditions. Most of the developed countries have earth observation satellites and make to work on earth observation satellites. Especially small observation satellites are becoming increasingly popular nowadays.
Our country sent earth observation satellite into space in 2011 and after this satellite, Göktürk-2 and Göktürk-1 satellite sent into space. Nowadays, studies have been continuing on Göktürk-3 and it will be sent into space soon. Also communication satellite Türksat-4A was sent into space in close time. New communication satellite will be sent into space after it will be completed.
In this thesis, satellite model was prepared by using features of a stellite that has been performing its in the space right now and data was obtained from literature review. Design, structural analysis, modal analysis, random vibration analysis, harmonic analysis, acoustic analysis, thermal analysis and attitude control were applied to this satellite.
A satellite model was created by making benefit of from the obtained data. Factors was determined which affects the design of created model. The designs were made considering these factors and subsystems were located in the satellite.  Solar panels of satellite are locked by mechanism. Solar panels unlatches with incoming signal to mechanism and it comes to open positon by damper and band spring. Also shock amplitudes decrease thanks to damper and band spring.
Structural analysis of the designed satellite model was applied in Ansys. With reference to conditions in the rocket operating manual the model was seen durable according to the result of structural analysis applied to the structure.
The natural frequencies of satellite model were calculated in analysis programs. It has seen that the satellite model designed met the rigidity requirement requested by rocket manufacturers. Resonance doesn't occur in the satellite model. Random vibration analysis was applied in the designed satellite model. As a result of this analysis, deformation, stress, acceleration and velocity occuring in satellite model were obtained. Low frequency harmonic analysis was applied in the designed satellite model. As a result of this analysis, deformations, stress and amplitude, stress frequency diagrams in different phase angles occuring in satellite model were obtained. Acoustic analysis was applied in designed satellite model. As a result of this analysis, deformations and stress were obtained in octave band center frequencies.
Using the Thermica v4.8.2 program, satellite model which subsystems were located was analyzed.   As a result of this analysis, temperature ranges in trunk and subsystems were obtained. When temperature ranges of the subsystems were examined, it was seen that temperature range is in between standard range.
Satellite mathematical model was extracted by making benefit of designed satellite model parameters in order to do satellite attitude control. State-space form was made transition from benefiting this mathematical model and this form was used in satellite uncontrolled state simulation. As controller were used H∞ controller and mixed H2/H∞ controller. Uncontrolled state is compared with H∞ control. It has seen that satellite has no deviation from orbit in controlled state. H∞ controller is compared with mixed H2/H∞ controller. It has seen that H2/H∞ controller gives better response.