Analytical models for the power subsystem and the attitude control subsystem of a microsatellite

El trabajo realizado en la presente tesis doctoral se debe considerar parte del proyecto UPMSat-2, que se enmarca dentro del ámbito de la tecnología aeroespacial. El UPMSat-2 es un microsatélite (de bajo coste y pequeño tamaño) diseñado, construido, probado e integrado por la Universidad Politécnica de Madrid (España), para fines de demostración tecnológica y educación. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuevos modelos analíticos para estudiar la interdependencia energética entre los subsistemas de potencia y de control de actitud de un satélite. En primer lugar, se estudia la simulación del subsistema de potencia de un microsatélite, prestando especial atención a la simulación de la fuente de potencia, esto es, los paneles solares. En la tesis se presentan métodos sencillos pero precisos para simular la producción de energía de los paneles en condiciones ambientales variables a través de su circuito equivalente. Los métodos propuestos para el cálculo de los parámetros del circuito equivalente son explícitos (o al menos, con las variables desacopladas), no iterativos y directos; no se necesitan iteraciones o valores iniciales para calcular los parámetros. La precisión de este método se prueba y se compara con métodos similares de la literatura disponible, demostrando una precisión similar para mayor simplicidad. En segundo lugar, se presenta la simulación del subsistema de control de actitud de un microsatélite, prestando especial atención a la nueva ley de control propuesta. La tesis presenta un nuevo tipo de control magnético es aplicable a la órbita baja terrestre (LEO). La ley de control propuesta es capaz de ajustar la velocidad de rotación del satélite alrededor de su eje principal de inercia máximo o mínimo. Además, en el caso de órbitas de alta inclinación, la ley de control favorece la alineación del eje de rotación con la dirección normal al plano orbital. El algoritmo de control propuesto es simple, sólo se requieren magnetopares como actuadores; sólo se requieren magnetómetros como sensores; no hace falta estimar la velocidad angular; no incluye un modelo de campo magnético de la Tierra; no tiene por qué ser externamente activado con información sobre las características orbitales y permite el rearme automático después de un apagado total del subsistema de control de actitud. La viabilidad teórica de la citada ley de control se demuestra a través de análisis de Monte Carlo. Por último, en términos de producción de energía, se demuestra que la actitud propuesto (en eje principal perpendicular al plano de la órbita, y el satélite que gira alrededor de ella con una velocidad controlada) es muy adecuado para la misión UPMSat-2, ya que permite una área superior de los paneles apuntando hacia el sol cuando se compara con otras actitudes estudiadas. En comparación con el control de actitud anterior propuesto para el UPMSat-2 resulta en un incremento de 25% en la potencia disponible. Además, la actitud propuesto mostró mejoras significativas, en comparación con otros, en términos de control térmico, como la tasa de rotación angular por satélite puede seleccionarse para conseguir una homogeneización de la temperatura más alta que apunta satélite y la antena. ABSTRACT The work carried out in the present doctoral dissertation should be considered part of the UPMSat-2 project, falling within the scope of the aerospace technology. The UPMSat-2 is a microsatellite (low cost and small size) designed, constructed integrated and tested for educational and technology demonstration purposes at the Universidad Politécnica de Madrid (Spain). The aim of the present doctoral dissertation is to present new analytical models to study the energy interdependence between the power and the attitude control subsystems of a satellite. First, the simulation of the power subsystem of a microsatellite is studied, paying particular attention to the simulation of the power supply, i.e. the solar panels. Simple but accurate methods for simulate the power production under variable ambient conditions using its equivalent circuit are presented. The proposed methods for calculate the equivalent circuit parameters are explicit (or at least, with decoupled variables), non-iterative and straight forward; no iterations or initial values for the parameters are needed. The accuracy of this method is tested and compared with similar methods from the available literature demonstrating similar precision but higher simplicity. Second, the simulation of the control subsystem of a microsatellite is presented, paying particular attention to the new control law proposed. A new type of magnetic control applied to Low Earth Orbit (LEO) satellites has been presented. The proposed control law is able to set the satellite rotation speed around its maximum or minimum inertia principal axis. Besides, the proposed control law favors the alignment of this axis with the normal direction to the orbital plane for high inclination orbits. The proposed control algorithm is simples, only magnetorquers are required as actuators; only magnetometers are required as sensors; no estimation of the angular velocity is needed; it does not include an in-orbit Earth magnetic field model; it does not need to be externally activated with information about the orbital characteristics and it allows automatic reset after a total shutdown of attitude control subsystem. The theoretical viability of the control law is demonstrated through Monte Carlo analysis. Finally, in terms of power production, it is demonstrated that the proposed attitude (on principal axis perpendicular to the orbit plane, and the satellite rotating around it with a controlled rate) is quite suitable for the UPMSat-2 mission, as it allows a higher area of the panels pointing towards the sun when compared to other studied attitudes. Compared with the previous attitude control proposed for the UPMSat-2 it results in a 25% increment in available power. Besides, the proposed attitude showed significant improvements, when compared to others, in terms of thermal control, as the satellite angular rotation rate can be selected to achieve a higher temperature homogenization of the satellite and antenna pointing.

Deviations of cup anemometer rotational speed measurements due to steady state harmonic accelerations of the rotor

The measurement deviations of cup anemometers are studied by analyzing the rotational speed of the rotor at steady state (constant wind speed). The differences of the measured rotational speed with respect to the averaged one based on complete turns of the rotor are produced by the harmonic terms of the rotational speed. Cup anemometer sampling periods include a certain number of complete turns of the rotor, plus one incomplete turn, the residuals from the harmonic terms integration within that incomplete turn (as part of the averaging process) being responsible for the mentioned deviations. The errors on the rotational speed due to the harmonic terms are studied analytically and then experimentally, with data from more than 500 calibrations performed on commercial anemometers.

Señalización luminosa de calzadas en autovías y autopistas mediante técnicas y dispositivos aeronáuticos

carriles de carreteras, autovías o autopistas, en todo tiempo meteorológico, hace que se plantee, entre otros, el estudio de una señalización luminosa adecuada de las mimas. Un claro ejemplo de este tipo de señalización luminosa para condiciones adversas de visibilidad son los sistemas de luces aeronáuticas de superficie utilizadas para el movimiento de aeronaves en los aeródromos. En esta comunicación se presenta un estudio de viabilidad para el uso de este tipo de luces, y su tecnología asociada, en la señalización luminosa de las calzadas de autovías y autopistas, basándose en la experiencia y criterios de carácter aeronáutico. El estudio comprende: la definición de los parámetros de configuración y dimensionamiento de las bandas de circulación, arcenes y carriles de una autovía; el análisis de las condiciones meteorológicas previstas más adversas, tipo de meteoro que se presenta: neblina, niebla, niebla densa, etc. y evaluación del alcance de la luz para una determinada intensidad luminosa; la cuantificación del alcance visual de las luces, para establecer posteriormente la posición y espaciado de las mismas; la valoración del un número mínimo de luces que se han de observar para predecir la configuración de la banda de circulación en tramos rectos y curvos; el análisis de los tipos de luces de guiado en superficie instaladas en los aeródromos para seleccionar las más adecuadas para este propósito en base a su emplazamiento, características luminosas de la luz en cuanto a color, intensidad de la luz y la distribución de su haz. Como la situación de visibilidad es cambiante, será necesaria la adecuación de la intensidad de las luces en cada momento para que sean visibles en unos casos y no deslumbre en otros. Los valores de la visibilidad meteorológica (MOR) se obtendrá mediante equipos específicos, que incluyen transmisómetros y medidores de luminancia de fondo, situados en los lugares adecuados. Mediante los datos proporcionados por estos dispositivos se controlarán las unidades de alimentación de las luces regulando su nivel de brillo de acuerdo a las condiciones meteorológicas del momento.

Flujo de energía, potencia y factor de potencia en circuitos eléctricos no lineales de iluminación y alumbrado

El estudio sistemático de la transmisión de energía eléctrica en sistemas no lineales (no sinusoidales) cobra una primordial importancia por la implantación, cada vez más ex-tendida, de sistemas no lineales de conversión de la energía eléctrica en las redes de distribución de energía eléctrica. El hecho de la deformación de las corrientes de distribución (periódicas no sinusoidales) en instalaciones de iluminación y alumbrado, es ya conocido por el uso de reactancias con lámparas de descarga, provocadas por los efectos de histéresis en sus núcleos, y por la utilización de equipos auxiliares, tales como fuentes de alimentación conmutadas, o no, con lámparas halógenas, lámparas de bajo consumo y lámparas Led, con un uso mucho mas extendido hoy en día. En este trabajo se desarrollan las expresiones del flujo de energía eléctrica en cargas no lineales, para su aplicación en circuitos eléctricos no lineales de iluminación y alum-brado. Se reconsideran las definiciones y formulaciones de los distintos conceptos de potencia: instantánea, activa, aparente, reactiva y se establece la potencia de distorsión. Se definen los conceptos de ángulo de desplazamiento y factor de desplazamiento, para proponer una definición más genérica del factor de potencia. Se analiza el concepto de corrección del factor de potencia mediante la conexión de una rama capacitiva en para-lelo con la luminaria o instalación, y se evalúan sus posibles limitaciones y efectos. Se comprueban y comentan algunos resultados obtenidos experimentalmente en ensayos realizados en laboratorio con ciertas lámparas de estos tipos, estableciéndose unas conclusiones significativas.