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Tesis:

On the interconnection and mutual dependence between attitude control and power subsystems in small satellites

  • Autor: PORRAS HERMOSO, Ángel Luis

  • Título: On the interconnection and mutual dependence between attitude control and power subsystems in small satellites

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: SISTEMAS AEROESPACIALES, TRANSPORTE AEREO Y AEROPUERTOS

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79811/

  • Director/a 1º: PINDADO CARRION, Santiago
  • Director/a 2º: CUBAS CANO, Javier

  • Resumen: En la última década, ha sido evidente un marcado incremento en el empleo y lanzamiento de satélites de pequeño tamaño. En sus inicios, esta esfera estaba principalmente en manos de instituciones académicas, que ponían en órbita pequeños satélites para su utilización en investigaciones científicas y como plataformas de demostración tecnológica. Sin embargo, se ha presenciado un constante aumento en el número de pequeños satélites lanzados con propósitos comerciales. Consecuentemente, se demanda a estas plataformas, que ofrezcan cada vez mejores prestaciones debido al creciente número de aplicaciones de índole comercial a las que pueden servir. La situación actual del sector espacial ha motivado considerables esfuerzos de investigación en el estudio, simulación, mejora y empleo de los diversos subsistemas que conforman los pequeños satélites. La presente tesis doctoral se enfoca en el modelado, análisis y simulación de dos subsistemas fundamentales de los pequeños satélites: el subsistema de potencia y el subsistema de determinación y control de actitud. Además, se explora la interrelación entre estos subsistemas. Aunque el énfasis principal recae en los satélites de pequeño tamaño, los resultados generados no se limitan exclusivamente a esta categoría. La tesis abarca varios estudios cruciales. En primer lugar, investiga la comparación de rendimiento entre sistemas de potencia que emplean configuraciones de Transferencia Directa de Energía (DET) y aquellos que utilizan el seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT). En segundo lugar, este trabajo se dedica a la estimación del vector solar a través de sensores solares de bajo coste basados en fotodiodos, así como el uso de las medidas de estado de los paneles solares para este propósito. Además, la tesis desarrolla metodologías de análisis de datos relacionados con la actitud del satélite, lo que permite determinar la velocidad angular del satélite incluso en situaciones con tasas de datos muy bajas en comparación con el período característico de su movimiento. Finalmente, se formula una ley de guiado para optimizar el apuntamiento de los paneles solares del satélite hacia el Sol, cumpliendo con la restricción de la desviación máxima de sus instrumentos con respecto a la dirección objetivo. Todos los estudios y análisis realizados en esta tesis se derivan de la experiencia con el UPMSat-2 y el desarrollo del UPMSat-3. Los datos del UPMSat-2, lanzado en septiembre de 2020, se han utilizado para validar las metodologías descritas en este trabajo, y se han implementado métodos específicos para validar los experimentos realizados a bordo del UPMSat-2. Por otro lado, el UPMSat-3, actualmente en fase de desarrollo, ha servido como base para la creación de casos de estudio con el propósito de probar y desarrollar nuevos algoritmos de seguimiento del Sol, entre otros avances. ABSTRACT In the last decade, there has been a significant increase in the use and launch of small satellites. Initially, universities dominated the field, launching small satellites for use in scientific research or as technological demonstrators. However, there has been a gradual increase in the number of small satellites launched for commercial purposes. Consequently, these platforms are now required to deliver increasingly better performance due to the growing number of commercial applications they can serve. Given the current state of the space sector, significant research efforts have been dedicated to the study, simulation, improvement, and utilization of the different subsystems that make up small satellites. This doctoral thesis focuses on the modelling, study, and simulation of the power subsystem and the attitude determination and control subsystem embedded in small satellites, while exploring the relationship between these subsystems. Although the primary emphasis is on small satellites, the application of the results is not limited to them. This thesis covers several key studies. First, it investigates the performance comparison between power systems that use Direct Energy Transfer (DET) configurations and those that use Maximum Power Point Tracking (MPPT). Secondly, this work explores the estimation of the solar vector using low-cost solar sensors based on photodiodes, as well as the use of the state of solar panels for this purpose. Additionally, this thesis develops data analysis methodologies related to satellite attitude, enabling the determination of the satellite's angular velocity even in situations with very slow data rates compared to the characteristic period of its motion. Finally, a guidance law is formulated to optimize the pointing of the satellite's solar panels toward the Sun while respecting the maximum deviation constraint of its instruments from the target direction. All the studies and analyses conducted in this thesis are derived from the experience with the UPMSat-2 and the development of the UPMSat-3. Data from the UPMSat-2, launched in September 2020, has been used to validate the methodologies described in this work, and specific methods have been implemented to validate experiments carried out on board the UPMSat-2. On the other hand, the UPMSat-3, currently in the development phase, has served as a basis for creating case studies to test and develop, for example, new solar tracking algorithms.