Research on performance degradation and intelligent control and management strategy of satellite attitude control system

Satellite Attitude Control System (SACS) is the key subsystem to ensure the normal operation of satellite in orbit. As a typical opto-mechatronic system, SACS has an extremely complex structure, working under adverse conditions such as the bad space environment, the limitation of on-board resources and the limited ability of manual intervention, which makes the failure rate of SACS remain high. Therefore, it is required to be highly reliabe and able to manage independently and intelligently. Taking performance degradation and intelligent control and management (ICAM) as the starting point, this paper makes a thorough study on the SACS components’ performance fluctuation and degradation trajectory in space environment, and system-level ICAM strategy of SACS. Firstly, a complete mathematical model of SACS is established, including satellite attitude description, kinematics and dynamics, actuator model and attitude sensor measurement models. Combined with optical and thermodynamic analysis, the performance fluctuation of attitude sensors in space thermal environment is studied. The space thermal effect errors of star sensor and fiber optic gyroscope are developed, which enrich the mathematical model of the SACS. Then, taking the reaction flywheel and star sensor as the research objects, the corresponding performance degradation trajectories are established through the performance degradation reliability theory analysis. In addition, the existing research on the degradation mechanism of flywheel and star sensor is summarized. On this basis, combined with the idea of fuzzy reasoning, TS-fuzzy algorithm is utilized to optimize and modify the degradation trajectories. Furtherly, an ICAM strategy of double-layer structure is designed for SACS: the first layer is the controller layer based on LQR control law and flywheel group torque distribution strategy; The second layer is the intelligent optimization layer based on whale optimization algorithm (WOA), which selects the best control parameters through iterative optimization. The strategy can independently select adjust the control scheme according to the current health status of the actuator, which greatly reduces the energy consumption of attitude control and delays the performance degradation of the actuator. Chosen a certain type of satellite in a specific orbit as the background plant, the digital simulation carried out to verify that the proposed algorithms can achieve the corresponding optimization objectives well. The proposed method provides new way for the study of performance degradation and independent intelligence of SACS in theory, and is of a certain engineering application value. At the end of the paper, the main conclusions are summarized and the research prospect is given. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Yunhua Li at Beihang University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Beihang University and Politecnico di Milano.

Satellite Attitude Control System (SACS) è il sottosistema chiave per garantire il normale funzionamento del satellite in orbita. Come tipico sistema optomeccatronico, il SACS ha una struttura estremamente complessa, che lavora in condizioni avverse come il cattivo ambiente spaziale, la limitazione delle risorse di bordo e la limitata capacità di intervento manuale, il che fa sì che il tasso di guasto del SACS rimanga elevato . Pertanto, è necessario essere altamente affidabili e in grado di gestire in modo indipendente e intelligente. Prendendo come punto di partenza il degrado delle prestazioni e il controllo e la gestione intelligenti (ICAM), questo documento effettua uno studio approfondito sulla fluttuazione delle prestazioni dei componenti SACS e sulla traiettoria di degradazione nell'ambiente spaziale e sulla strategia ICAM a livello di sistema di SACS. In primo luogo, viene stabilito un modello matematico completo di SACS, che include la descrizione dell'assetto del satellite, la cinematica e la dinamica, il modello dell'attuatore e i modelli di misurazione del sensore di assetto. In combinazione con l'analisi ottica e termodinamica, viene studiata la fluttuazione delle prestazioni dei sensori di assetto nell'ambiente termico spaziale. Vengono sviluppati gli errori dell'effetto termico spaziale del sensore stellare e del giroscopio a fibra ottica, che arricchiscono il modello matematico del SACS. Quindi, prendendo il volano di reazione e il sensore stellare come oggetti di ricerca, le corrispondenti traiettorie di degrado delle prestazioni vengono stabilite attraverso l'analisi della teoria dell'affidabilità del degrado delle prestazioni. Inoltre, viene riassunta la ricerca esistente sul meccanismo di degradazione del volano e del sensore stellare. Su questa base, unito all'idea del ragionamento fuzzy, viene utilizzato l'algoritmo TS-fuzzy per ottimizzare e modificare le traiettorie di degradazione. Inoltre, per SACS è progettata una strategia ICAM di struttura a doppio strato: il primo strato è il livello di controllo basato sulla legge di controllo LQR e sulla strategia di distribuzione della coppia del gruppo volano; Il secondo livello è il livello di ottimizzazione intelligente basato sull'algoritmo di ottimizzazione delle balene (WOA), che seleziona i migliori parametri di controllo attraverso l'ottimizzazione iterativa. La strategia può selezionare in modo indipendente regolare lo schema di controllo in base allo stato di salute attuale dell'attuatore, il che riduce notevolmente il consumo energetico del controllo dell'assetto e ritarda il degrado delle prestazioni dell'attuatore. Scelto un certo tipo di satellite in una determinata orbita come impianto di fondo, la simulazione digitale è stata effettuata per verificare che gli algoritmi proposti possano raggiungere bene i corrispondenti obiettivi di ottimizzazione. Il metodo proposto fornisce un nuovo modo per lo studio del degrado delle prestazioni e dell'intelligenza indipendente di SACS in teoria ed è di un certo valore applicativo ingegneristico. Al termine del lavoro vengono riassunte le principali conclusioni e viene fornita la prospettiva della ricerca. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione di prof. Yunhua Li presso l’Università Beihang nell'ambito del programma di doppia laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra l’Università Beihang e il Politecnico di Milano.