پایان نامه شبیه‌ساز مجازی سامانه كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره‌

چكیده

هدف از اجرای پروژه طراحی و پیاده‌سازی شبیه‌ساز مجازی سامانه كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره‌، تست الگوریتم‌ها و واحدهای كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره و نیز آموزش بخش‌های مختلف این سامانه به كاربران می‌باشد. فضای مجازی ایجاد شده برای آموزش كاربران به نحوی طراحی شده است كه كاربر را در درك صحیح، سریع و بهتر مسائل مرتبط با كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره یاری می‌دهد. در این پروژه كلیه مسائل دینامیكی و سینماتیكی كه در طراحی پایه یک سامانه كنترل وضعیت و موقعیت مدنظر قرار می‌گیرد تشریح، طراحی و پیاده‌سازی شده است. به منظور بررسی دقیق شرایط حاكم بر ماهواره سعی شده است تا اثر كلیه اغتشاشات خارجی موثر بر موقعیت و وضعیت ماهواره در طراحی اعمال شود. این سامانه برای دو دسته ماهواره ارتفاع‌پایین و زمین‌آهنگ طراحی شده است. مبنای طراحی سیستم كنترل وضعیت ماهواره ارتفاع پایین بر اساس طراحی سیستم كنترل وضعیت فعال بوده و ماهواره برای كنترل دقیق وضعیت از چرخ‌های عكس‌العملی استفاده می‌كند. طراحی بر روی ماهواره زمین‌آهنگ بر اساس یک طراحی جامع صورت گرفته و سامانه كنترل وضعیت و موقعیت به نحوی مدل‌سازی شده است كه امكان ایجاد ارتباط با یک نرم‌افزار واسط را جهت تعامل با كاربر دارا می‌باشد. سامانه كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره زمین‌آهنگ دارای قابلیت اصلاح مداری، كنترل وضعیت، مانور وضعیت و مانور موقعیت می‌باشد. نتایج شبیه‌سازی انجام شده برای ماهواره‌های نمونه ارتفاع‌پایین و زمین‌آهنگ حاكی از پیاده‌سازی مناسب مجموعه ساختارها، الگوریتم‌ها، عملگرها، حسگرها و پردازشگرها می‌باشد.

كلمات كلیدی: سامانه كنترل وضعیت و موقعیت ماهواره‌- واقعیت مجازی- ماهواره ارتفاع‌پایین- ماهواره زمین‌آهنگ- مانور وضعیت- مانور موقعیت

فهرست مطالب

1- مقدمه  1

2- طراحی وپیاده‌سازی شبیه‌ساز واقعیت مجازی.. 6

2.1   واقعیت مجازی.. 7

2.2 كاربرد واقعیت مجازی در علوم فضایی.. 8

2.2   روند طراحی و پیاده‌سازی محیط واقعیت مجازی.. 10

2.2.1   بررسی و انتخاب روش تولید تصاویر سه‌بعدی   12

2.2.2   ابزارهای تولید تصاویر سه‌بعدی   18

2.3 نحوه اتصال محیط واقعیت مجازی با شبیه‌ساز سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 23

3- شبیه‌سازی دینامیكی مدارات زمین‌گرد. 26

3.1   دینامیک مداری و مسئله دو جسم. 27

3.1   دینامیک وضعیت.. 30

3.2   اغتشاشات مداری و وضعیتی.. 32

3.3.1 اغتشاشات مداری.. 33

3.3.2 اغتشاشات وضعیتی.. 46

4- طراحی و شبیه‌سازی سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 50

4.1 سامانه كنترل وضعیت و موقعیت (AOCS) 51

4.1.1 وظایف سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 51

4.1.1.7 اجرای مانور 57

4.1.2 واحدهای سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 57

4.1.3 مودهای عملكرد سامانه كنترل وضعیت و موقعیت   60

4.2 طراحی الگوریتم سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 64

4.3 ابزارهای مورد نیاز در شبیه‌سازی سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 69

4.3.1 زمان [15-17] 69

4.3.2 موقعیت اجرام آسمانی ماه و خورشید [18] 73

4.3.3 دستگاه‌های مختصات.. 76

4.3.4 مدل‌سازی سینماتیكی.. 79

4.4 مدل سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 83

4.5 طراحی كنترل كننده 85

4.5.1 قاعده فرمان کنترلی با بهره گرفتن از خطای زوایای اویلر  85

4.5.2 قاعده فرمان کنترلی با بهره گرفتن از ماتریس خطای کسینوس جهتی [9] 86

4.5.3 قاعده فرمان کنترلی با بهره گرفتن از بردار خطای کواترنیون. 88

4.5.4 انتخاب كنترل‌كننده 89

4.6 مدل‌سازی عملگرهای سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 90

4.6.1 تراستر عكس العملی.. 91

4.6.2 چرخ عكس العملی و مومنتومی.. 95

4.6.3 موتور اصلی.. 98

4.7 مدل‌سازی حسگرهای سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 100

4.7.1 حسگر خورشیدی [22] 100

4.7.2 حسگر افق‌سنج. 104

4.7.3 حسگرهای اینرسی.. 106

4.8 الگوریتم‌های بكار رفته جهت كنترل و اصلاح موقعیت.. 107

4.8.1 اصلاح شیب مداری یا حفظ شمال و جنوب مداری.. 108

4.8.2 اصلاح طول جغرافیایی یا حفظ شرق و غرب مداری.. 115

4.9 الگوریتم تعیین وضعیت.. 118

4.10 الگوریتم باربرداری از چرخ مومنتومی.. 120

5- بررسی نتایج شبیه‌سازی سامانه كنترل وضعیت و موقعیت.. 121

5.1   بررسی و ارزیابی نتایج اطلاعات موقعیتی ماهواره.. 122

نتایج و ملاحظات ارزیابی مرحله اول (مدار ارتفاع پایین) 130

نتایج و ملاحظات ارزیابی مرحله دوم (مدار زمین‌آهنگ) 138

5.2   بررسی نتایج اطلاعات وضعیتی ماهواره.. 139

5.3   بررسی نتایج مانور وضعیت.. 141

5.4   بررسی نتایج اصلاح مداری.. 149

5.5   بررسی نتایج باربرداری از چرخ مومنتومی.. 151

5.6  بررسی نحوه انتقال مداری.. 153

6- جمع‌بندی و نتیجه گیری.. 155

6.1 جمع‌بندی.. 155

6.2 نتیجه گیری.. 155

6.3 پیشنهادات.. 156

7- پیوست.. 157

لیست مقالات ارائه شده 163

مراجع و منابع: 164

فهرست تصاویر

شکل  ‏1‑1 محیط مركز كنترل ماهواره ای [4]……………………. 4

شکل  ‏1‑2 تئاتر واقعیت مجازی  [6]………………………………….. 4

شکل  ‏2‑1 شبیه‌سازی ماهواره در فضای واقعیت مجازی [2]…….. 11

شکل  ‏2‑2 اختلاف منظر صفر بین تصاویر…………………………….. 13

شکل  ‏2‑3 اختلاف منظر مثبت بین تصاویر…………………………….. 14

شکل  ‏2‑4 اختلاف منظر واگرا بین تصاویر…………………………….. 15

شکل  ‏2‑5 اختلاف منظر منفی بین تصاویر…………………………….. 15

شکل  ‏2‑6 انفصال میانمحوری به اندازه ………………………….. 16

شکل  ‏2‑7 ویدئو پروژكتور SONY  VPL-CX120………. 19

شکل  ‏2‑8 فیلتر Polaroid….. 20

شکل  ‏2‑9 ابعاد و موقعیت پرده ها و ویدئوپروژكتورهای تولید تصایر سه بعدی…………………………. 21

شکل  ‏2‑10 عینك Polaroid.. 23

شکل  ‏2‑11 نحوه اتصال بخش‌های شبیه‌ساز با یكدیگر…………….. 24

شکل  ‏2‑12 نمای بخش واقعیت مجازی آزمایشگاه تحقیقات فضایی…………………………………….. 24

شکل  ‏2‑13 نمای بخش واقعیت مجازی آزمایشگاه تحقیقات فضایی…………………………………….. 25

شکل  ‏3‑1 بردارهای جابجایی در سیستم دو جسمی [9]………… 27

شکل  ‏3‑2 نمایش پارامترهای وبلاگ مهرداد آقاجانی، مشاور و روانشناس...