Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences68344310.31857/S0023420625020043GOGXTVArticlesСтатьиResearch ArticleNumerical simulation of a 3U-CubeSat orbit maintenance using electrothermal engine and magnetic attitude control systemМоделирование поддержания орбиты 3U-кубсата с помощью электронагревного двигателя и магнитной системы ориентацииRolduginD. S.РолдугинД. С.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comIvanovD. S.ИвановД. С.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comTkachevS. S.ТкачевС. С.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comMashtakovYa. V.МаштаковЯ. В.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comKhokhlovA. V.ХохловА. В.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comStarikovK. I.СтариковК. И.
Russian Federation
rolduginds@gmail.comKeldysh Institute of Applied MathematicsИнститут прикладной математики им. М.В. Келдыша РАНGeoscan Ltd.ООО “Геоскан”Saint-Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университет1504202563216917809062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/683443

The study focuses on performing orbit maintenance for a 3U-CubeSat using an electrothermal engine and a simple active magnetic attitude control system. The satellite is equipped with magnetorquers and a magnetometer. As such, it cannot maintain the engine axis attitude along the tangential direction for orbit maintenance. Instead, by realizing a constant dipole moment and damping, attitude along the geomagnetic induction vector is constructed. This attitude is close to tangential on a sun-synchronous orbit near the equator. Numerical simulation of the satellite motion is performed showing capability to provide simple and reliable orbit maintenance. Thrust parameters in uncontrolled motion are analyzed.

Рассматривается задача поддержания орбиты 3U-кубсата с помощью электронагревного импульсного двигателя и простейшей активной магнитной системы управления ориентацией. Аппарат оснащен только магнитными катушками и магнитометром и не имеет возможности поддержания ориентации оси установки двигателя по касательной к орбите. За счет реализации постоянного дипольного момента и гашения угловой скорости достигается ориентация по вектору геомагнитной индукции. На солнечно-синхронной орбите вблизи узлов такая ориентация близка к ориентации по касательной к орбите. Проводится моделирование движения аппарата с выдачей импульсов коррекции при проходе восходящего узла орбиты. Приведены результаты тестирования двигателя в неуправляемом режиме.

Российский научный фондRussian Science Foundation22-71-10009Ovchinnikov M.Y., Roldugin D.S. A survey on active magnetic attitude control algorithms for small satellites // Progress in Aerospace Sciences. 2019. V. 109. Art. ID. 100546. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2019.05.006Searcy J.D., Pernicka H.J. Magnetometer-Only Attitude Determination Using Novel Two-Step Kalman Filter Approach // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2012. V. 35. Iss. 6. P. 1693–1701.https://doi.org/10.2514/1.57344Psiaki M.L. Global Magnetometer-Based Spacecraft Attitude and Rate Estimation // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2004. V. 27. Iss. 2. P. 240–250.Abdelrahman M., Park S.-Y. Integrated attitude determination and control system via magnetic measurements and actuation // Acta Astronautica. 2011. V. 69. Iss. 3–4. P. 168–185. https://doi.org/10.1016/J.actaastro.2011.03.010Буланов Д.М., Сазонов В.В. Исследование эволюции вращательного движения спутника Фотон М-2 // Косм. исслед. 2020. Т. 58. № 4. С. 291–304. https://doi.org/10.31857/S0023420620040032Абрашкин В.И., Воронов К.Е., Дорофеев А.С. и др. Определение вращательного движения малого космического аппарата Аист-2Д по данным магнитных измерений // Косм. исслед. 2019. Т. 57. № 1. С. 61–73. https://doi.org/10.1134/S0023420619010011Крамлих А.В., Николаев П.Н., Рылько Д.В. Бортовой двухэтапный алгоритм определения ориентации наноспутника SAMSAT-ION // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 2. С. 65–85.Ovchinnikov M.Y., Roldugin D.S., Penkov V.I. Asymptotic study of a complete magnetic attitude control cycle providing a single-axis orientation // Acta Astronautica. 2012. V. 77. P. 48–60. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.03.001Lovera M., Astolfi A. Spacecraft attitude control using magnetic actuators // Automatica. 2004. V. 40. Iss. 8. P. 1405–1414. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.02.022Celani F. Robust three-axis attitude stabilization for inertial pointing spacecraft using magnetorquers // Acta Astronautica. 2015. V. 107. P. 87–96. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.11.027Wisniewski R. Linear Time-Varying Approach to Satellite Attitude Control Using Only Electromagnetic Actuation // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2000. V. 23. Iss. 4. P. 640–647. https://doi.org/10.2514/2.4609Okhitina A., Roldugin D., Tkachev S. Application of the PSO for the construction of a 3-axis stable magnetically actuated satellite angular motion // Acta Astronautica. 2022. V. 195. P. 86–97. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2022.03.001Сарычев В.А., Сазонов В.В. Оптимальные параметры пассивных систем ориентации спутников // Косм. исслед. 1976. Т. 14. № 2. С. 198–208.Сарычев В.А., Овчинников М.Ю. Движение спутника с постоянным магнитом относительно центра масс // Косм. исслед. 1986. Т. 24. № 4. С. 527–543.Белецкий В.В., Яншин А.М. Влияние аэродинамических сил на вращательное движение искусственных спутников. Киев: Наукова Думка, 1984. 187 с.Guerman A.D., Ivanov D.S., Roldugin D.S. et al. Orbital and Angular Dynamics Analysis of the Small Satellite SAR Mission INFANTE // Cosmic Research. 2020. V. 58. Iss. 3. P. 206–217. https://doi.org/10.1134/S0010952520030016ГОСТ Р 25645.166–2004. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полетов искусственных спутников Земли. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 24 с.Alken P., Thébault E., Beggan C.D. et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation // Earth, Planets and Space. 2021. V. 73. Iss. 1. Art. ID. 49. https://doi.org/10.1186/s40623–020–01288-xИванов Д.С., Овчинников М.Ю., Ролдугин Д.С. и др. Программный комплекс для моделирования орбитального и углового движения спутников // Математическое моделирование. 2019. Т. 31. № 12. С. 44–56. https://doi.org/10.1134/S0234087919120049