Numerical simulation of a 3U-CubeSat orbit maintenance using electrothermal engine and magnetic attitude control system

D. S. Roldugin; Ролдугин Д. С.; D. S. Ivanov; Иванов Д. С.; S. S. Tkachev; Ткачев С. С.; Ya. V. Mashtakov; Маштаков Я. В.; A. V. Khokhlov; Хохлов А. В.; K. I. Starikov; Стариков К. И.

doi:10.31857/S0023420625020043

Numerical simulation of a 3U-CubeSat orbit maintenance using electrothermal engine and magnetic attitude control system

Authors: Roldugin D.S.¹, Ivanov D.S.¹, Tkachev S.S.¹, Mashtakov Y.V.¹, Khokhlov A.V.², Starikov K.I.²^,3
Affiliations:
1. Keldysh Institute of Applied Mathematics
2. Geoscan Ltd.
3. Saint-Petersburg State University
Issue: Vol 63, No 2 (2025)
Pages: 169-178
Section: Articles
URL: https://ruspoj.com/0023-4206/article/view/683443
DOI: https://doi.org/10.31857/S0023420625020043
EDN: https://elibrary.ru/GOGXTV
ID: 683443

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract

The study focuses on performing orbit maintenance for a 3U-CubeSat using an electrothermal engine and a simple active magnetic attitude control system. The satellite is equipped with magnetorquers and a magnetometer. As such, it cannot maintain the engine axis attitude along the tangential direction for orbit maintenance. Instead, by realizing a constant dipole moment and damping, attitude along the geomagnetic induction vector is constructed. This attitude is close to tangential on a sun-synchronous orbit near the equator. Numerical simulation of the satellite motion is performed showing capability to provide simple and reliable orbit maintenance. Thrust parameters in uncontrolled motion are analyzed.

Full Text

References

Ovchinnikov M.Y., Roldugin D.S. A survey on active magnetic attitude control algorithms for small satellites // Progress in Aerospace Sciences. 2019. V. 109. Art. ID. 100546. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.05.006
Searcy J.D., Pernicka H.J. Magnetometer-Only Attitude Determination Using Novel Two-Step Kalman Filter Approach // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2012. V. 35. Iss. 6. P. 1693–1701.https://doi.org/10.2514/1.57344
Psiaki M.L. Global Magnetometer-Based Spacecraft Attitude and Rate Estimation // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2004. V. 27. Iss. 2. P. 240–250.
Abdelrahman M., Park S.-Y. Integrated attitude determination and control system via magnetic measurements and actuation // Acta Astronautica. 2011. V. 69. Iss. 3–4. P. 168–185. https://doi.org/10.1016/J.actaastro.2011.03.010
Буланов Д.М., Сазонов В.В. Исследование эволюции вращательного движения спутника Фотон М-2 // Косм. исслед. 2020. Т. 58. № 4. С. 291–304. https://doi.org/10.31857/S0023420620040032
Абрашкин В.И., Воронов К.Е., Дорофеев А.С. и др. Определение вращательного движения малого космического аппарата Аист-2Д по данным магнитных измерений // Косм. исслед. 2019. Т. 57. № 1. С. 61–73. https://doi.org/10.1134/S0023420619010011
Крамлих А.В., Николаев П.Н., Рылько Д.В. Бортовой двухэтапный алгоритм определения ориентации наноспутника SAMSAT-ION // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 2. С. 65–85.
Ovchinnikov M.Y., Roldugin D.S., Penkov V.I. Asymptotic study of a complete magnetic attitude control cycle providing a single-axis orientation // Acta Astronautica. 2012. V. 77. P. 48–60. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.03.001
Lovera M., Astolfi A. Spacecraft attitude control using magnetic actuators // Automatica. 2004. V. 40. Iss. 8. P. 1405–1414. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.02.022
Celani F. Robust three-axis attitude stabilization for inertial pointing spacecraft using magnetorquers // Acta Astronautica. 2015. V. 107. P. 87–96. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.11.027
Wisniewski R. Linear Time-Varying Approach to Satellite Attitude Control Using Only Electromagnetic Actuation // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2000. V. 23. Iss. 4. P. 640–647. https://doi.org/10.2514/2.4609
Okhitina A., Roldugin D., Tkachev S. Application of the PSO for the construction of a 3-axis stable magnetically actuated satellite angular motion // Acta Astronautica. 2022. V. 195. P. 86–97. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2022.03.001
Сарычев В.А., Сазонов В.В. Оптимальные параметры пассивных систем ориентации спутников // Косм. исслед. 1976. Т. 14. № 2. С. 198–208.
Сарычев В.А., Овчинников М.Ю. Движение спутника с постоянным магнитом относительно центра масс // Косм. исслед. 1986. Т. 24. № 4. С. 527–543.
Белецкий В.В., Яншин А.М. Влияние аэродинамических сил на вращательное движение искусственных спутников. Киев: Наукова Думка, 1984. 187 с.
Guerman A.D., Ivanov D.S., Roldugin D.S. et al. Orbital and Angular Dynamics Analysis of the Small Satellite SAR Mission INFANTE // Cosmic Research. 2020. V. 58. Iss. 3. P. 206–217. https://doi.org/10.1134/S0010952520030016
ГОСТ Р 25645.166–2004. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полетов искусственных спутников Земли. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 24 с.
Alken P., Thébault E., Beggan C.D. et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation // Earth, Planets and Space. 2021. V. 73. Iss. 1. Art. ID. 49. https://doi.org/10.1186/s40623–020–01288-x
Иванов Д.С., Овчинников М.Ю., Ролдугин Д.С. и др. Программный комплекс для моделирования орбитального и углового движения спутников // Математическое моделирование. 2019. Т. 31. № 12. С. 44–56. https://doi.org/10.1134/S0234087919120049