Design and Simulation of a Magnetorquer-Based Attitude Control Algorithm for the ICARUS 1U CubeSat
Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: O crescente interesse em missões espaciais de baixo custo e reduzidas dimensões tem impulsionado a adoção generalizada de CubeSats, cujas restrições rigorosas de massa, volume, consumo de energia e recursos computacionais influenciam significativamente o projeto dos seus subsistemas.Entre estes subsistemas, o Attitude Determination and Control System (ADCS) constitui um desafio particularmente exigente, sobretudo quando se recorre exclusivamente à atuação magnética.Os magnetorquers representam uma solução leve, económica e fiável, mas a sua dependência do campo geomagnético local resulta num sistema subatuado em cada instante, dificultando a obtenção de um desempenho de apontamento preciso.O ICARUS é um CubeSat de 1U em desenvolvimento pela Porto Space Team, no âmbito da iniciativa CubeSat Portugal, com o objetivo de realizar medições in situ do plasma ionosférico.Estes objetivos da missão impõem requisitos rigorosos de atitude, nomeadamente a manutenção de uma precisão de apontamento de ±10 • relativamente à direção de avanço (ram direction), numa plataforma sujeita a severas limitações de massa, volume e potência disponível.A satisfação destes requisitos recorrendo apenas à atuação por magnetorquers motiva o desenvolvimento de estratégias de controlo simultaneamente robustas e computacionalmente eficientes.Nesta dissertação é apresentado o desenvolvimento, implementação e validação numérica de uma arquitetura de controlo de atitude adaptada à missão ICARUS.É formulada uma lei de controlo "sliding mode" não linear em coordenadas de erro por quaterniões, de forma a lidar explicitamente com as não linearidades do sistema e com as suas restrições de atuação variantes no tempo.O controlador proposto é integrado num ambiente de simulação de elevada fidelidade, que modela a dinâmica orbital, as variações do campo geomagnético e o comportamento rotacional do satélite.Para efeitos de comparação, é igualmente implementada uma lei de controlo proporcional derivativa baseada em quaterniões, permitindo uma avaliação sistemática do desempenho de ambas as abordagens.O desempenho dos dois controladores é avaliado através de simulações de Monte Carlo em cenários de apontamento estático e dinâmico representativos das condições da missão.Os resultados demonstram que o "sliding mode" atinge um erro médio de apontamento de aproximadamente 5 • , satisfazendo de forma consistente o requisito da missão, enquanto o controlador proporcional derivativo apresenta erros em regime permanente superiores a 20 • nas mesmas condições.Estes resultados demonstram que o controlo de atitude baseado exclusivamente em magnetorquers pode satisfazer requisitos moderados de apontamento quando são empregues estratégias de controlo não lineares adequadas.O principal contributo deste trabalho reside no desenvolvimento e validação de uma abordagem de controlo robusta que melhora significativamente a precisão de apontamento relativamente aos métodos clássicos, mantendo simultaneamente a compatibilidade com as limitações computacionais e energéticas inerentes a uma plataforma CubeSat de 1U.
Author: José Serôdio Canha
Language: English
Subfield: Aerospace Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7202068131