Concepto y modelado de comportamiento en vuelo de un sensor de apuntamiento a nadir para el control de actitud de satélites
- Autores: Agustín Pedro García Sáez
- Directores de la Tesis: José Manuel Quero Reboul (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Número de páginas: 191
- Tribunal Calificador de la Tesis: Víctor Emilio Reglero Velasco (presid.), María Ángeles Martín Prats (secret.), Franco Bernelli-Zazzera (voc.), Juan de la Cruz García Ortega (voc.), Francesc Serra Graells (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Automática, Electrónica y de Telecomunicación por la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El motivo de esta tesis surge de la colaboración entre el área de Microsistemas del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla y el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). En ella se propone una nueva aproximación de un sensor de Tierra (ES) para su posterior integración en la misión Microsat llevada a cabo por el INTA.
El control de actitud básico de satélites es realizado generalmente por sensores solares de precisión trabajando de forma conjunta con magnetómetros. El problema de esta estructura radica en que los sensores solares dependen de la presencia del Sol para su operación y que los magnetómetros no suelen ofrecer un apuntamiento fino del satélite. En cambio, combinando ambos tipos de dispositivos con un sensor de Tierra del mismo rango de precisión, la mejora de las condiciones y del error de apuntamiento es notable. Existen también los star trackers, que tienen una alta precisión pero son equipos muy caros al tener un alto grado de sofisticación. Este tipo de dispositivos se basa en capturar imágenes del fondo espacial y compararla con una base de datos de estrella para así calcular la orientación.
El resultado más destacable de este trabajo de investigación ha sido la obtención de un nuevo concepto de sensor de Tierra basado en detectores de termopila que integra un sistema óptico de focalización, fundamentando su operación en la emisión térmica de la Tierra al espacio. El sensor dispone de cuatro células, las cuales trabajan dos a dos de forma diferencial sensando el horizonte terrestre. A lo largo del texto se expone todo el proceso de modelado, diseño, simulación, fabricación, evaluación y ensayos del dispositivo. Se realiza una explicación general del instrumento y de los elementos constituyentes de éste (detectores térmicos, óptica, electrónica y mecánica). Tras ello se efectúa un estudio teórico de transmisión de calor por radiación y de óptica geométrica para, de esta manera, desarrollar un modelo de comportamiento del sensor como función del balance radiante sobre la termopila y de la temperatura del dispositivo. Este modelo térmico nace de la necesidad de disponer de un modelo de simulación que permita obtener resultados del sensor en condiciones de vuelo y constituye una base importante para el trabajo posterior, ya que ha permitido un ajuste y estudio detallado del dispositivo.
El sensor emplea un sistema óptico constituido por lentes de germanio para focalizar una imagen térmica sobre los detectores. Se expone la selección de la lente y el desarrollado de un modelo de comportamiento basado en los efectos de difracción y aberraciones cromáticas y esféricas. Como resultado se ha obtenido la sensibilidad espectral del dispositivo. A fin de comprobar la validez de los modelos, se han efectuado una serie de ensayos de intercambio radiante, constatando así la utilidad de éstos.
Se ha propuesto una electrónica de adaptación que, por un lado, amplifica la señal del elemento sensor hasta un rango dinámico adecuado y, por otro, mitiga las derivas térmicas de éste con la temperatura. A fin de obtener la mejor compensación térmica posible, se expone un algoritmo de optimización que rinde el valor más adecuado de los componentes de ajuste de la electrónica. El diseño electrónico expuesto permite, además, corregir ciertos efectos de las tensiones y corrientes de offset de los amplificadores operacionales en las salidas de señal. Para asegurar el correcto funcionamiento de la electrónica en cualquier circunstancia, se ha realizado un WCCA (Worst Case Circuit Analysis). Para ello se ha tenido en cuenta las tolerancias y derivas térmicas de todos los componentes, así como las tensiones y corrientes de offset de los amplificadores operacionales. De esta manera, queda asegurada la correcta operatividad del sensor en cualquier circunstancia.
Se exponen los planos mecánicos de la envolvente, la cual integra en su interior los detectores de termopila, el sistema óptico y toda la electrónica de adaptación. Con el fin de asegurar el correcto funcionamiento del dispositivo dentro del rango de temperatura especificado, se han efectuado una serie de simulaciones térmicas con condiciones térmicas de contorno de vuelo. Mediante estas simulaciones se ha analizado la distribución de temperaturas de la envolvente del sensor en los casos en los que se producen mayores gradientes térmicos.
Con todos estos cálculos previos y asumiendo una serie de hipótesis (homogeneidad térmica y de la emisividad terrestre, y suposición de esfericidad perfecta de la Tierra) se han efectuado simulaciones del sensor para obtener el comportamiento y el error de apuntamiento en condiciones reales de vuelo. Aunque el sensor ha sido diseñado para órbitas de baja altitud (LEO), también se ha llevado a cabo un estudio del comportamiento del sensor para órbitas geosíncronas (GEO). Asimismo, se ha extraído mediante simulación el error en casos no ideales tales como la existencia de gradientes térmicos o variaciones en la emisividad de la Tierra o la interferencia por la presencia del Sol en fóvea.
Para la evaluación del sensor se ha construido una bancada de ensayos. Aunque la evaluación realizada no refleja condiciones térmicas de contorno de vuelo, ha permitido extraer curvas de comportamiento y compararlas con los resultados de los modelos en las mismas condiciones, obteniendo los resultados esperados. De igual manera, han sido realizados varios ensayos complementarios para validar el resultado de los modelos, modificando para ello los parámetros térmicos de los que el sensor es dependiente. El sensor ha sido sometido a ensayos de vacío en el INTA y de irradiación en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA) con el objetivo de asegurar la robustez de la unidad en vuelo, obteniendo unos resultados favorables. En resumen, se ha demostrado el buen comportamiento del concepto de un sensor de Tierra con lentes integradas, el cual cumple además con los requerimientos de precisión especificados por la misión Microsat. Dicha filosofía de operación le confiere características nuevas respecto al estado del arte actual de este tipo de tecnología, tales una fóvea más estrecha y una mayor sensibilidad. Se ha acompañado su diseño de modelos de simulación que permiten reproducir su comportamiento en función de condiciones de contorno térmicas y geométricas. Aunque dichos modelos se han particularizado para el caso de órbitas LEO, son lo suficientemente generales para adaptarlos a variedad circunstancias y casuísticas.
