Özgün güneş sensörü tasarımı ile uzay araçlarında yönelmenin belirlenmesi

Abstract

Bu tezde uzay araçlarının Güneş panellerini Güneş'e göre ayarlama, antenlerini veya kameralarını bir noktaya göre döndürme, kendi oryantasyonunu ayarlama gibi hayati işlevlerini yerine getirebilmesini sağlayan kritik öneme haiz yönelme belirleme ve kontrol sisteminin bir parçası olan yönelme belirme sensörlerinden Güneş sensörü üzerine çalışılmıştır.Piyasadan mevcut olan Güneş sensörlerinden farklı olarak özgün Güneş sensörü tasarlanmıştır. Bu sensör tasarlanırken yüksek doğruluklu, ucuz ve kolay imal edilebilir bir tasarım hedeflenmiştir. Bunun için piyasadan kolaylıkla temin edilebilen dijital kamera ve filtre olarak kaynakçı gözlük camı kullanılmıştır.Kaynakçı camın ışık almayan bir düzenekle kameranın objektifinin önüne yerleştirilmiştir. Daha sonra Güneş'in fotoğrafı çekilmiştir. Böylece bir fotoğraf karesinde sadece net olarak Güneş şekli elde edilmiştir. Elde edilen bu görüntü sayesinde uzay aracının merkezini orijin olarak kabul ederek tanımlanan cisim referans sistemine göre Güneş vektörü ifade edilmiştir.Dünya Güneş'in etrafında belirli zaman aralıklarında belirli hareketleri yapmaktadır. Eğer Dünya üzerindeki bir noktada zaman ve koordinat hassas bir şekilde biliniyorsa o noktayı orijin olarak kabul eden bir lokal tanjant referans sistemine göre Güneş vektörü ifade edilebilmektedir. Bu bilgi ışığında Dünya üzerindeki koordinatları bilinen bir noktada Güneş'in görüntüsü ve ölçüm zamanı alınmıştır. Güneş ile Dünya arasındaki mesafenin Dünya ile uydu arasındaki mesafeye kısayla çok büyük olmasından dolayı aradaki fark ölçümlerimize çok az etki edeceğinden göz ardı edilmiştir. Böylece bu çalışma için iki farklı referans sistemine göre özdeş iki Güneş vektörü belirlenmiştir.Euler teoremine göre katı bir cismin yönelmesi bir referans sisteminin üç ekseninde üç seri dönme hareketi ile tanımlanmaktadır. Bu teoremden yola çıkarak; cisim referans sistemine göre tanımlanan Güneş vektörü ve lokal tanjant referans sistemine göre tanımlanan Güneş vektörü, özdeş iki vektör olduğundan bu iki vektörün referans sistemlerinden biri diğerine göre üç seri hareket yapmıştır denebilir.Bu tezde iki referans sistemine göre ifade edilen iki Güneş vektörü Euler açılarına değerler verilerek karşılaştırılmıştır. Böylece en iyi 10 sonuca göre uzay aracının yönelmesi lokal tanjant referans sistemine göre ifade edilmiştir.

This thesis reports on a new sun sensor design. Sun sensors are used in the attitude determination of spacecraft, which is a critical subsystem in any spacecraft for executing such vital functions as pointing the antennas, cameras and solar panels in the correct direction.A unique solar sensor has been designed based on new CCD cameras of small size and high resolution. The objective of the design was high accuracy, affordability, and ease of operation.The camera used in the set up was protected from the high intensity sun light by a sun filter made from welder?s glass. A sharp image of the sun was thus obtained with no other objects in the view. Further image processing techniques were used to identify the centre of the sun down to a pixel.The thesis summarizes the earth sun geometry identifying the solar hour and the declination angle for any point and time. Three specific coordinate frames are defined which are earth centred, locally tangent, and spacecraft centred. Transformations between the coordinate frames are described in terms of Euler Angles. Assuming that correct time and spacecraft coordinates are known as obtained from GPS satellites, spacecraft attitude can be determined by computing the rotation angles between the sun vector as measured on the spacecraft, and the sun vector calculated from the Earth-Sun geometry, for that location at that time.