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11/18/2013
Ref.:Andrea Testore
83230910-DOC-TAS-IT-002
SHM based on Ḃ control-law
in near polar orbit
Relatori:
Lorenzo Casalino
Carlo Novara
Candidato:
Andrea Testore
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né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space
12/02/2013
Ref.: Andrea Testore
Safe Hold Mode (SHM) emergency operation mode in case of
failure
Fundamental for satellite reliability, aim: satellite preservation
2
Introduction
To keep positive power balance
Turn off all non-essential devices
To keep correct Sun pointing of solar panels
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12/02/2013
Ref.: Andrea Testore
Introduction
Evaluate Ḃ based SHM
performance for optical satellite
3
Scenario characteristics
Satellite with quite symmetric
mass distribution
Orbit: 14h SSO
Task
98°
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12/02/2013
Ref.: Andrea Testore
Contents
Satellite plant definition
Ḃ control law
Safe Hold Mode logic
Performance analysis
Conclusion
4
x
y
z
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12/02/2013
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Contents
Satellite plant definition
Ḃ control law
Safe Hold Mode logic
Performance analysis
Conclusion
5
input output
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6
Conceptual satellite plant
Output
SV, B, Tecl, ...
Input
• Fe
• Me
• MGT
• RW
PLANT
Control
• P
• V
• ω
• qStatus:
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Contents
7
Satellite plant definition
Ḃ control law
Hardware
Traditional
Forced
Safe Hold Mode logic
Performance analysis
Conclusion
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BMGT influences MGM measurement.
8
Hardware
Activation NOT concurrent
MGM
MGT
t
MGT
transient
MGM
measurement
MGT
activation
MGT
transient
20s
MGT current
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9
Traditional ḂTraditional ḂTraditional Ḃ
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude Orbit inclination RAAN Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
25a Compact [-0.3 0 0] [0 0 90] 98.112 247.66499 [0 0 0] ON ON ON OFF
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10
4
−6
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
x 10
−3
time t (s)
Ws
c(rad/s)
Wxsc
Wysc
Wzsc
MMGT: Torque generated by MGT
K: Constant
B: Geomagnetic field
ωSC: Spacecraft angular rate
ωB: Geomagnetic rate of change
MMGT=-K·B×(ωSC - ωB)×B
Torque
ωSC=ωB
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10
0 1 2 3 4 5 6
x 10
4
−2
−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
x 10
−3
time t (s)
W
s
c(rad/s)
Wxsc
Wysc
Wzsc
n° Satellite
Initial BRF
angular rate
Initial Attitude Orbit inclination RAAN Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
29a Compact [0 0 0 ] [0 0 0] 98.112 247.66499 [-10 0 0] ON ON -ω₀x OFF
Forced Ḃ
Possibility to impose
desired angular rate (i.e.
orbital rate)
Characteristics
MMGT=-K·[B×(ωSC-ωB)+B×(ωB-ωo)]×B
Torque
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11
Contents
Satellite plant definition
Ḃ control law
Safe Hold Mode logic
Submode 1
Submode 2
Submode 3
Submode 4
Performance analysis
Conclusion
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12
Safe Hold Mode
Submode 1: Detumbling
Submode 2: Sun Search
Submode 3: Sun Pointing
Sun Pointing/Eclipse loop (SP/E)
Submode 4: Eclipse
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13
Submode 1: Detumbling
Actions
Traditional Ḃ control law
Reaction wheel polarization
SV: Sun vector
êpol
∟
↻
Slow down spacecraft body ①
Align panels axis ⊥ to SV ②
Aims
②①
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14
Submode 2: Sun Search
Forced Ḃ (2.5*ωo) aorund êpolScan all Sun directions
ω0: Orbital rate
Aims Actions
êpol
∟
∟
↻
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15
Submode 3: Sun Pointing
①
②
Keep angle between Sun vector
an solar panel constant
Aims Actions
SVx
y
x
x
y
x
Impose:
SVy = 1 ①
SVx = 0 ②
y
y
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16
Submode 4: Eclipse
Forced Ḃ (-1.5*ωo)Avoid losing Sun direction
Aims Actions
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Contents
17
Satellite plant definition
Hardware
Ḃ control law
Safe Hold Mode logic
Performance analysis
Worst case
High initial angular rate
Conclusion
α
SV
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Worst case
18
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
9 Compact [0 2 0] [-21.81 -106.25 122.74] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON
Characteristics
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10
4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
X: 0
Y: 179.6
X: 1.604e+04
Y: 7.626
time t (s)
Halfconey
S
C(°)
sun−presence−sensor
half cone Solar Panel −YSC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
time t (s)
Halfconey
S
C(°)
sun−presence−sensor
half cone Solar Panel −YSC
Worst SC orientation
Time until stabilization (3 orbits)
SP/E loop efficiency
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19
Worst case
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
9 Compact [0 2 0] [-21.81 -106.25 122.74] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 10
4
−300
−200
−100
0
100
200
300
time t (s)
DipolemomentvectorCMDAm
2
sun−presence−sensor
mxCMD
myCMD
mzCMD
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
x 10
4
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
time (t) s
submodes
Different MGTs effort
Characteristics
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12/02/2013
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High initial angular rate
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
5
−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
time t (s)
WSCvector(rad/s)
sun−presence−sensor
Wx
SC
Wy
SC
Wz
SC
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON
Characteristics
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
time (t) s
submodes
Ineffective detumbling
New stability condition
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12/02/2013
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High initial angular rate
21
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON
B field value seen
B field value seen
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
x 10
5
−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
time t (s)
WSCvector(rad/s)
sun−presence−sensor
Wx
SC
Wy
SC
Wz
SC
MGT activation in quadrature
conditions
4.5 deg/s
>13.5 deg/s (0.24 rad/s)
Characteristics
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12/02/2013
Ref.: Andrea Testore
High initial angular rate
22
0 50 100 150 200 250 300 350 400
−0.08
−0.06
−0.04
−0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
time (t) s
x component applied by Bdot algorithm
z component applied by Bdot algorithm
x component of B field derivative
z component of B field derivative
n° Satellite
Initial BRF angular
rate (deg/s)
Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation
9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON
MGT activation in quadrature
conditions
Characteristics
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
−0.02
−0.015
−0.01
−0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
time (t) s
x component applied by Bdot algorithm
z component applied by Bdot algorithm
x component of B field derivative
z component of B field derivative
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Conclusions
Very effective for different initial attitude with moderate angular rate
Ineffective for quadrature phenomenon with high angular rate
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Possible solution
Reduce measurement/activation period
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  • 1. 11/18/2013 Ref.:Andrea Testore 83230910-DOC-TAS-IT-002 SHM based on Ḃ control-law in near polar orbit Relatori: Lorenzo Casalino Carlo Novara Candidato: Andrea Testore
  • 2. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Safe Hold Mode (SHM) emergency operation mode in case of failure Fundamental for satellite reliability, aim: satellite preservation 2 Introduction To keep positive power balance Turn off all non-essential devices To keep correct Sun pointing of solar panels
  • 3. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Introduction Evaluate Ḃ based SHM performance for optical satellite 3 Scenario characteristics Satellite with quite symmetric mass distribution Orbit: 14h SSO Task 98°
  • 4. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Contents Satellite plant definition Ḃ control law Safe Hold Mode logic Performance analysis Conclusion 4 x y z
  • 5. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Contents Satellite plant definition Ḃ control law Safe Hold Mode logic Performance analysis Conclusion 5 input output
  • 6. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 6 Conceptual satellite plant Output SV, B, Tecl, ... Input • Fe • Me • MGT • RW PLANT Control • P • V • ω • qStatus:
  • 7. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Contents 7 Satellite plant definition Ḃ control law Hardware Traditional Forced Safe Hold Mode logic Performance analysis Conclusion
  • 8. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore BMGT influences MGM measurement. 8 Hardware Activation NOT concurrent MGM MGT t MGT transient MGM measurement MGT activation MGT transient 20s MGT current
  • 9. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 9 Traditional ḂTraditional ḂTraditional Ḃ n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude Orbit inclination RAAN Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 25a Compact [-0.3 0 0] [0 0 90] 98.112 247.66499 [0 0 0] ON ON ON OFF 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10 4 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 x 10 −3 time t (s) Ws c(rad/s) Wxsc Wysc Wzsc MMGT: Torque generated by MGT K: Constant B: Geomagnetic field ωSC: Spacecraft angular rate ωB: Geomagnetic rate of change MMGT=-K·B×(ωSC - ωB)×B Torque ωSC=ωB
  • 10. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 10 0 1 2 3 4 5 6 x 10 4 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 x 10 −3 time t (s) W s c(rad/s) Wxsc Wysc Wzsc n° Satellite Initial BRF angular rate Initial Attitude Orbit inclination RAAN Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 29a Compact [0 0 0 ] [0 0 0] 98.112 247.66499 [-10 0 0] ON ON -ω₀x OFF Forced Ḃ Possibility to impose desired angular rate (i.e. orbital rate) Characteristics MMGT=-K·[B×(ωSC-ωB)+B×(ωB-ωo)]×B Torque
  • 11. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 11 Contents Satellite plant definition Ḃ control law Safe Hold Mode logic Submode 1 Submode 2 Submode 3 Submode 4 Performance analysis Conclusion
  • 12. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 12 Safe Hold Mode Submode 1: Detumbling Submode 2: Sun Search Submode 3: Sun Pointing Sun Pointing/Eclipse loop (SP/E) Submode 4: Eclipse
  • 13. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 13 Submode 1: Detumbling Actions Traditional Ḃ control law Reaction wheel polarization SV: Sun vector êpol ∟ ↻ Slow down spacecraft body ① Align panels axis ⊥ to SV ② Aims ②①
  • 14. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 14 Submode 2: Sun Search Forced Ḃ (2.5*ωo) aorund êpolScan all Sun directions ω0: Orbital rate Aims Actions êpol ∟ ∟ ↻
  • 15. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 15 Submode 3: Sun Pointing ① ② Keep angle between Sun vector an solar panel constant Aims Actions SVx y x x y x Impose: SVy = 1 ① SVx = 0 ② y y
  • 16. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 16 Submode 4: Eclipse Forced Ḃ (-1.5*ωo)Avoid losing Sun direction Aims Actions
  • 17. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Contents 17 Satellite plant definition Hardware Ḃ control law Safe Hold Mode logic Performance analysis Worst case High initial angular rate Conclusion α SV
  • 18. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Worst case 18 n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 9 Compact [0 2 0] [-21.81 -106.25 122.74] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON Characteristics 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 X: 0 Y: 179.6 X: 1.604e+04 Y: 7.626 time t (s) Halfconey S C(°) sun−presence−sensor half cone Solar Panel −YSC 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 time t (s) Halfconey S C(°) sun−presence−sensor half cone Solar Panel −YSC Worst SC orientation Time until stabilization (3 orbits) SP/E loop efficiency
  • 19. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 19 Worst case n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 9 Compact [0 2 0] [-21.81 -106.25 122.74] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 10 4 −300 −200 −100 0 100 200 300 time t (s) DipolemomentvectorCMDAm 2 sun−presence−sensor mxCMD myCMD mzCMD 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 4 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (t) s submodes Different MGTs effort Characteristics
  • 20. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore High initial angular rate 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 −0.15 −0.1 −0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time t (s) WSCvector(rad/s) sun−presence−sensor Wx SC Wy SC Wz SC n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON Characteristics 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 time (t) s submodes Ineffective detumbling New stability condition
  • 21. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore High initial angular rate 21 n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON B field value seen B field value seen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 −0.15 −0.1 −0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time t (s) WSCvector(rad/s) sun−presence−sensor Wx SC Wy SC Wz SC MGT activation in quadrature conditions 4.5 deg/s >13.5 deg/s (0.24 rad/s) Characteristics
  • 22. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore High initial angular rate 22 0 50 100 150 200 250 300 350 400 −0.08 −0.06 −0.04 −0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 time (t) s x component applied by Bdot algorithm z component applied by Bdot algorithm x component of B field derivative z component of B field derivative n° Satellite Initial BRF angular rate (deg/s) Initial Attitude i Ω Initial Polarization GG J2 B_dot Saturation 9 Compact [0 4.5 0] [0 0 0] 98.112 30 [0 0 0] ON ON ON ON MGT activation in quadrature conditions Characteristics 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 −0.02 −0.015 −0.01 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 time (t) s x component applied by Bdot algorithm z component applied by Bdot algorithm x component of B field derivative z component of B field derivative
  • 23. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore Conclusions Very effective for different initial attitude with moderate angular rate Ineffective for quadrature phenomenon with high angular rate 23 Possible solution Reduce measurement/activation period
  • 24. Il documento non deve essere riprodotto, modificato, adattato, pubblicato, tradotto in qualsiasi forma sostanziale, in tutto o in parte, né divulgato a terze parti senza il preventivo consenso scritto di Thales Alenia Space - © 2013, Thales Alenia Space 12/02/2013 Ref.: Andrea Testore 24