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Universita’ degli Studi di Napoli Federico II Facolta’ di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Analogical-differential sun sensor simulator Academic Year 2007/2008 Teacher Supervisor: Ch.mo Prof. Ing. Candidate: Claudio Bove Michele Grassi matr. 347/436

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Universita’ degli Studi di Napoli Federico II

Facolta’ di IngegneriaCorso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Analogical-differential sun sensor simulator

Academic Year 2007/2008

Teacher Supervisor: Ch.mo Prof. Ing. Candidate: Claudio Bove

Michele Grassi matr. 347/436

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The aim of the thesis is the development of modeling and a numerical code that simulates the

operation of an analogical-differential sun sensor instead on a satellite in orbit.It consists of five

solar cells arranged on a truncated pyramid with square base and allows to determine the

direction of the sun through a combination of short-circuit currents.

The comparison between this direction and that reconstructed from the know apparent motion of

the sun allows to estimate the satellite attitude.

Analogical differential sun sensor Satellite attitude

yo

zo

xo

12

3

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Index of the presentation:

Solar cell and the characteristic curve

Analogical differential sun sensor

Simulation program

Results and conclusions

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The key element of an analogical differential sun sensor is the solar cell,a device capable of

trasforming the energy of light radiation into electrical energy.

The most common solar cell consists of a silicon sheet, a non-reflective glass and two electrical

contacts.

The efficiency of the solar cell is obtained by evaluating the relationship between provided

energy and the energy of light which invests its entire surface.Typical values for specimens of

crystalline silicon on the market is around 15%.

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Electric field

p-type silicon

Anti-reflection coating

Top electric contact

Junction

n-type silicon

Low electric contact

Solar radiation

Putting a load in parallel there is the passage of electric current due to a concentration gradient

of charges.

Electrical resistance

+ -

-

++

Principle of operation of the photovoltaic cell

Doping pure silicon with group III atoms as boron (p-type silicon) and group V such as

phosphorus (n-type silicon) an electrical field that favors the separation of charge carriers is

obtained at the junction when an electron is removed from atom due photoelectric effet.

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4Curva caratteristica della cella solare Silicon K7700A

Tensione [V]

Cor

rent

e [A

]

The diagram showing the current as a function of the voltage is called characteristic curve .In it

there are two parameters that depend on the construction of the cell:

Short -circuit current

Short- circuit voltage

In addition there is a dependence on the angle of solar radiation incidence.

teta=0

teta=pi/6teta=pi/4

teta=pi/3

n

θ

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In particular the cells 1,2,5 combine to determine the angle αs that the projection of solar

direction in plane YsZs shape with axis Zs.

The cells 3,4,5 instead combine to determine the angle βs that the projection of solar direction in

plane XsZs shape with the axis Zs.

Analogical differential sun sensor combines the short-circuit currents of five cells to determine

the direction of the sun in sensory reference XsYsZs.

4

3

1

2

5

Xs

Ys

Zs

αs

Zs

Xs

Ys

ŜYsZsŜ

βs

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The formulas needed to determine the angle αs in plane YsZs are achieved by combining short-

circuit currents of cells 1,2,5.This angle can be calculated only in three cases:

Zs

Ys

-π/2 π/2

-π/2+α0 π/2-α0

C

E

D

BA

5

21n2n1

Sun in the fields of view of cells 1,2,5

stg0sin25scI

1scI2scI

Sun in the fields of view of cells 2 e 5

s00

5sc

2sc tgsincosI

Is00

5sc

1sc tgsincosI

I

Sun in the fields of view of cells 1 e 5

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In a similar way the formulas are written for the calculation of the angle βs in plane XsZs.

Zs

Xs

-π/2 π/2

-π/2+α0 π/2-α0

C

E

D

BA

5

43n2n1

Sun in the fields of view of cells 3,4,5

stg0sin25scI

3scI4scI

Sun in the fields of view of cells 4 e 5

s00

5sc

4sc tgsincosI

I

Sun in the fields of view of cells 3 e 5

s005sc

3sc tgsincosI

I

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Simulation program

Simulate the operation of the analogical differential sun sensor means to predict the short-

circuit currents produced by the five cells at any instant of the time if it is placed on a satellite

in orbit.

A block that calculates short-circuit currents and rebuild the direction of the sun in the sensory

system XsYsZs.

So it is necessary to design:

An orbit propagator to simulate the satellite’s orbit.

A propagator of the dynamics of attitude.

A propagator of the apparent motion of the sun.

X

Y

ZZs

YsXs

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The simulation program is implemented using Simulink

The general scheme is:

Sun orbital parameters

Sun sensor

Orbital propagator

X,Y,Z satellite in IRF

X,Y,Z sun in IRF

satellite in IRF

Solar propagator

Orbital parameters

X,Y,Z sun in BRF

Matrix

IRF to ORF

Propagator of the

dynamics of attitude

Initial attitude Matricx

ORF to BRF

Z,Y,X

,,

,,

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Orbital propagator

Input:inclination, right ascension of the ascending node, argument of perigee,true anomaly,

semi-major axis maggiore,eccentricity.

Output:componenti della posizione del satellite nel riferimento inerziale.

By derivation the velocity components can also be obtained.

Z

X

Y

i

Ω

w

ν

a

cose1

psinwcosicossinwsincoscoswsinicossinwcoscosrX

cose1

psinwcosicoscoswsinsincoswsinicoscoswcossinrY

cose1

psinwcosisincoswsinisinrY

Equatorial plane

n

Descending node

Ascending node

xp

zp

yp

Perigee

r

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Simulink diagram for orbital propagator

MATLABFunction

velocita' angolaremedia

MATLABFunction

semilato retto

6778

semiasse maggiore

MATLABFunction

periodo orbitale

3.98*(10^5)

mu terra

45

inclinazione

0

eccentricita'

MATLABFunction

conversione

40

ascensione retta

30

argomento perigeo

MATLABFunction

anomalia vera

MATLABFunction

anomalia eccentrica

In1

Sottosistema velocita'

In1

Sottosistema posizione

Clock

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Propagator of the dynamics of the attitude

The equations of dynamics of attitude ,in case of small eccentricity and small angles ,are:

0k1MkM4 112

tMsinMe2kM3 22

0k1MkM 332

The obtained solutions by integration are the following:

tkM2sinkM2

tkM2cost 11

010

tk3Msink31k3

e2tMsin

k31

e2tk3Msin

k3Mtk3Mcost 2

2222

2

020

tkMsinkM

tkMcost 33

030

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So the propagator of dynamics of satellite attitude is created by a block that produces in output

these solutions giving in input the initial angles ,the initial angle speed,the eccentricity,medium

angle speed,details of the moments of inertia mass.

yaw punto [gradi/s]

yaw [rad]

yaw [gradi]

MATLABFunction

velocita' angolare media

In1

Out1

Out2

sottosistema yaw

In1

Out1

Out2

sottosistema roll

In1

In2

Out1

Out2

sottosistema pitch

6778

semiasse maggiore

roll punto [gradi/s]

MATLABFunction

roll e rollpunto

roll [rad]

roll [gradi]

pitch punto [gradi/s]

MATLABFunction

pitch e pitchpunto

pitch [rad]

pitch [gradi]

3.98*(10^5)

mu terra

MATLABFunction

gradi yaw e yawpunto

0

eccentricita'

2

Out2

1

Out1

MATLABFunction

roll punto

MATLABFunction

roll

0.94299

k1

clock

8.7266*10^-6

alfazeropunto

0.297

alfa0

1

In1

2

Out2

1

Out1

MATLABFunction

pitch punto

MATLABFunction

pitch

0.11141

kdue

8.7266*10^-6

beta0punto

0.262

beta0

Clock

2

In2

1

In1

2

Out2

1

Out18.7266*10^-6

yaw0punto

0.279

yaw0

MATLABFunction

yaw punto

MATLABFunction

yaw

0.92920

ktre

Clock

1

In1

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Simulink model of the analogical differential sun sensor

The simulink diagram that models the analogical differential sun sensor has in input the

components of the solar unit vector in the sensory reference and output short-circuit currents of

the five solar cells.

MATLABFunction

ricostruzione versore sole

In1 Out1

determinazione angoli alfa e beta sole

corrente cella 5 [A]

MATLABFunction

corrente cella 5

corrente cella 4 [A]

MATLABFunction

corrente cella 4

corrente cella 3 [A]

MATLABFunction

corrente cella 3

corrente cella 2 [A]

MATLABFunction

corrente cella 2

corrente cella 1 [A]

MATLABFunction

corrente cella 1

componenti versore sole ricostruito dal sensore

MATLABFunction

componenti versore sole nel sistema sensoriale

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The simulink diagram is:

In the simulation program five solar sensors were considered ,each placed on one side of the

satellite except the one facing the earth,in order to increase the chances of reconstruction of the

solar direction.Then the ideal operation of the sensors with perfectly same cells and that real

with cells having short-circuit currents equal to less than 1% were simulated.

yaw radiantiMATLABFunction

versore sole BRF

sensori solari

roll radianti

propagatore solare

propagatore orbitale e dinamica d'assetto

pitch radianti

modulo posizione sole [km]

MATLABFunction

eclisse

componenti versore sole BRF

componenti sole in BRF [km]

componenti posizione [km]

componenti posizione sole [km]

componenti velocita' [km/s]

MATLABFunction

ORF to BRFMATLABFunction

IRF to ORF

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Simulation results

The simulator works for any type of Keplerian orbit having small eccentricity.In this thesis

simulations have been carried out for three types of orbits,showing the trends of short-circuit

currents of all the solar cells and the reconstructions of the solar unit for each sensor in terms

both of components both of coelevation and azimuth sun angles.

Keplerian circular orbit at the spring equinox,with 400 km altitude,inclination 0° (equatorial

orbit), Ω = 40°, w = 30°.

yo

zo

xo

12

3

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tempo [s]

CO

MP

ON

EN

TI

VE

RS

OR

ERICOSTRUZIONE DEL VERSORE SOLE

prima componente

seconda componenteterza componente

TIME OFFSET:6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tempo [s]

CO

MP

ON

EN

TI

VE

RS

OR

E

RICOSTRUZIONE DEL VERSORE SOLE

prima componente

seconda componenteterza componente

TIME OFFSET:6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tempo [s]

CO

MP

ON

EN

TI

VE

RS

OR

E

RICOSTRUZIONE DEL VERSORE SOLE

prima componente

seconda componenteterza componente

TIME OFFSET:6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tempo [s]

CO

MP

ON

EN

TI

VE

RS

OR

E

COMPONENTI VERSORE SOLE IN BRF

prima componente

seconda componenteterza componente

TIME OFFSET:6.7391e+006

Eclipse

Eclipse

Eclipse

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yo

zo

xo

12

3

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

50

100

150

200

250

300

350

400

tempo [s]

AM

PIE

ZZ

A [

grad

i]RICOSTRUZIONE COELEVAZIONE ED AZIMUTH DEL SOLE

coelevazione

azimuth

TIME OFFSET : 6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

50

100

150

200

250

300

350

400

tempo [s]

AM

PIE

ZZ

A [

grad

i]

RICOSTRUZIONE COELEVAZIONE ED AZIMUTH DEL SOLE

coelevazione

azimuth

TIME OFFSET : 6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

50

100

150

200

250

300

350

400

tempo [s]

AM

PIE

ZZ

A [

grad

i]

RICOSTRUZIONE COELEVAZIONE ED AZIMUTH DEL SOLE

coelevazione

azimuth

TIME OFFSET : 6.7391e+006

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

50

100

150

200

250

300

350

400

tempo [s]

AM

PIE

ZZ

A [

grad

i]

COELEVAZIONE ED AZIMUTH SOLE IN BRF

coelevazione

azimuth

TIME OFFSET : 6.7391e+006

Eclipse

Eclipse

Eclipse

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Simulation results

The simulator works for any type of Keplerian orbit having small eccentricity.In this thesis

simulations have been carried out for three types of orbits,showing the trends of short-circuit

currents of all the solar cells and the reconstructions of the solar unit vector for each sensor in

terms both of components both of coelevation and azimuth sun angles:

Keplerian circular orbit at the spring equinox,with 400 km altitude ,inclination 0° ( equatorial

orbit), Ω = 40°, w = 30°.

Keplerian circular orbit at the spring equinox,with 400 km altitude and inclination 45°, Ω =

40°, w = 30°.

Keplerian circular orbit at the summer solstice,with 800 km altitude and inclination 90°( polar

orbit ), Ω = 40°, w = 30°.

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Conclusions

The aim of the thesis have been the creation of a program that simulates the operation of five

solar sensors placed on the satellite faces.

The combination of the short-circuit currents determines in each sensory reference the sun

direction which ,compared with that known by sun apparent motion,can estimate the satellite

attitude.So it possible choose the best placement of the sensors.

The numeric code have been created using Simulink and has given satisfactory results ,that

could be improved by modeling the main causes perturbations of the orbit.

The program could be used in the design of future spece missions ,for prediction calculations

on the satellite attitude and to obtain useful informations for development of the best design of

attitude control.

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Thank you for your kind attention