Luận án Ước lượng tư thế vệ tinh nhỏ quan sát trái đất bằng việc hợp nhất hóa dữ liệu của cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao

0 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC 
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM 
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 
...*** 
ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 
BẰNG VIỆC HỢP NHẤT HÓA DỮ LIỆU CỦA CẢM BIẾN 
TỐC ĐỘ GÓC VÀ CẢM BIẾN SAO 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
Hà Nội – 2018 
 1 
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM 
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 
...*** 
ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT 
TRÁI ĐẤT BẰNG VIỆC HỢP NHẤT HÓA DỮ LIỆU 
CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC VÀ CẢM BIẾN SAO 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 
 Mã sỗ: 62 52 02 16 
 Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS.TS Thái Quang Vinh 
2. TS. Bùi Trọng Tuyên 
Hà Nội – 2018 
 2 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn 
thành dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Các kết quả nêu trong luận án là 
trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. 
Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. 
 Hà Nội , ngày tháng năm 2018 
Nghiên cứu sinh 
 Ngô Duy Tân 
 3 
LỜI CẢM ƠN 
 Luận án này được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện 
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả 
đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các 
đồng nghiệp, bạn bè và gia đình 
 Để hoàn thành luận án này, tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Thái 
Quang Vinh và TS. Bùi Trọng Tuyên đã định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ và 
mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu của Luận án này. 
 Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Lãnh đạo, Phòng Đào tạo Sau 
Đại học Viện Công nghệ Thông tin và Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện 
Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong 
suốt thời gian học tập và nghiên cứu, để tôi hoàn thành luận án này. 
 Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Công nghệ vũ trụ và các đồng 
nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và 
hoàn thiện các nội dung nghiên cứu của luận án. 
 Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn quan 
tâm, động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. 
 Xin trân trọng cảm ơn. 
 Hà Nội, ngày tháng năm 2018 
Nghiên cứu sinh 
 Ngô Duy Tân 
 4 
MỤC LỤC 
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 0 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................................... 6 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 8 
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... 10 
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11 
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ................................................................................. 16 
1.1 Tư thế vệ tinh .................................................................................................... 16 
1.2 Các hệ tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh .................................... 17 
1.3 Biểu diễn tư thế vệ tinh ..................................................................................... 19 
1.3.1 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng quaternion .......................................................... 20 
1.3.2 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các vec-tơ Pivot ................................................. 22 
1.3.3 Sai lệch tư thế vệ tinh ....................................................................................... 24 
1.4 Các chỉ tiêu chính của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ............. 25 
1.5 Thuật toán ước lượng tư thế và những ràng buộc trên vệ tinh ......................... 27 
CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG BÀI TOÁN 
ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH ............................................................................... 31 
2.1 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng và điều 
khiển tư thế vệ tinh ........................................................................................................ 31 
2.1.1 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng ...... 31 
2.1.2 Luật điều khiển tư thế vệ tinh ........................................................................... 36 
2.2 Cảm biến tư thế vệ tinh ..................................................................................... 38 
2.2.1 Cảm biến tốc độ góc ......................................................................................... 38 
2.2.2 Cảm biến sao .................................................................................................... 41 
CHƯƠNG 3 - ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT DỮ LIỆU 
ĐA CẢM BIẾN 45 
3.1 Sơ đồ khối bộ ước lượng tư thế ........................................................................ 45 
3.2 Ước lượng tư thế bằng cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc sử dụng phương 
pháp trọng số ................................................................................................................. 47 
3.3 Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) ................ 49 
 5 
3.4 Các phương pháp ước lượng dựa trên thuật toán QUEST (Quaternion 
Estimation)..................................................................................................................... 49 
3.5 Ứng dụng phương pháp Pivot trong bài toán ước lượng tư thế vệ tinh............ 50 
3.6 Phương pháp thích nghi .................................................................................... 54 
CHƯƠNG 4 - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ ĐỘ 
TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC .................................................................. 56 
4.1 Xây dựng bộ ước lượng tư thế có bù độ trượt .................................................. 56 
4.2 Mô phỏng .......................................................................................................... 59 
4.2.1 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng trọng số .............................. 60 
4.2.2 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng bô lọc Kalman mở rộng ..... 62 
CHƯƠNG 5 - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ KHÁNG LỖI 
TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT ................................................................... 65 
5.1 Thiết kế bộ ước lượng tư thế vệ tinh sử dụng bộ lọc Kalman .......................... 65 
5.1.1 Nguyên tắc hoạt động: ...................................................................................... 66 
5.1.2 Điều chỉnh hệ số lọc ......................................................................................... 70 
5.2 Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh bộ lọc hợp nhất dữ liệu ..................... 71 
5.3 Đề xuất cơ chế kháng lỗi cho ước lượng tư thế trên vệ tinh quan sát Trái đất. 74 
5.4 Mô phỏng .......................................................................................................... 75 
5.4.1 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ tiêu chuẩn ............................................................. 75 
5.4.2 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ chụp ảnh ............................................................... 78 
5.5 Kết luận ............................................................................................................. 83 
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 84 
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 85 
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .............................................................. 86 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................................. 87 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 88 
 6 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 
ADCS 
Attitude Determination and Control Subsystem - Phân hệ xác định 
và điều khiển tư thế vệ tinh 
DCM 
Direct Cosine Matrix – Ma trận quay 
EKF Extended Kalman Filter - Bộ lọc Kalman mở rộng 
FPGA Field-programmable gate array- Mảng logic khả trình 
KF Kalman Filter - Bộ lọc Kalman 
MRP
Modified Rodrigues Parameters- Các tham số MRP 
PID Proportional Integral Derivative -Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ 
QUEST Quaternioin Estimator - Bộ dự đoán quarternion 
SEU
Single Event Upset- Hiện tượng đảo bit dữ liệu do ảnh hưởng của 
bức xạ vũ trụ 
SoC 
System on Chip – Một loại mạch tích hợp các chức năng như một 
máy tính (bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ, giao tiếp,) 
SSO Sun Synchronous Orbit – Quỹ đạo đồng bộ mặt trời 
SST Star tracker - Cảm biến sao 
UKF
Unscented Kalman Filter 
VNREDSat-1
Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster Monitoring 
Satellite-Vệ tinh nhỏ Việt Nam giám sát tài nguyên thiên nhiên môi 
trường và thiên tai 
i Hệ tọa độ quán tính (inertial frame) 
b Hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ vệ tinh (body frame) 
o Hệ tọa độ quỹ đạo (orbit frame) 
 Góc nghiêng (roll) 
 Góc chúc ngóc (pitch) 
 Góc hướng (yaw) 
 
T
1 2 3 4, , ,q q q q q Quaternion 
b
biω ,ω Tốc độ quay của b so với hệ quán tính i được mô tả trong hệ b 
 7 
i
v Véc tơ 3 thành phần mô tả trong hệ tọa độ i 
b
v Véc tơ 3 thành phần mô tả trong hệ tọa độ b 
 ˆ ˆ ˆ, ,a a ax y z 3 véc tơ đơn vị của hệ tọa độ quy chiếu a 
3 3, x1 1 Ma trận đơn vị 3 3 
i
I Ma trận mô men quán tính 3 3 của vệ tinh tính trong hệ tọa độ i 
,bI I Ma trận 3 3 mô men quán tính của vệ tinh tính trong hệ tọa độ b 
, bh h Mô men động lượng của vệ tinh tính trong hệ toạ độ b 
H Mô men động lượng của vệ tinh tính trong hệ toạ độ i 
, a Góc và trục quay Euler chính 
, bm mτ τ Véc tơ mô men điều khiển của thanh từ lực tính trong hệ toạ độ b 
wτ Véc tơ mô men điều khiển của bánh xe động lượng 
, bd dτ τ 
Tổng véc tơ mô men nhiễu tác động lên vệ tinh tính trong hệ toạ độ 
b 
, bg gτ τ Véc tơ mô men nhiễu gia tốc trọng trường tính trong hệ toạ độ b 
o Tốc độ quay của quỹ đạo vệ tinh 
 Tốc độ quay của bánh xe động lượng 
δ Véc tơ sai lệch về tốc độ quay tính trong hệ toạ độ b 
 8 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 
Hình 1.1. Chế độ hướng Trái đất và chế độ chụp ảnh của vệ tinh ........................................... 16 
Hình 1.2 Các hệ trục tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh ..................................... 17 
Hình 1.3. Minh họa hệ tọa độ vệ tinh (ảnh mô hình vệ tinh VNREDSat-1) ............................ 18 
Hình 1.4. Phép quay Pivot ........................................................................................................ 22 
Hình 1.5. Biến đổi của Pivot Vec-tơ biểu diễn bằng các phép quay quanh trục cố định ......... 23 
Hình 1.6. Tam giác cầu mô tả tổng hợp các phép quay............................................................ 24 
Hình 1.7. Vùng cần chụp và ảnh hưởng của độ chính xác của phân hệ ADCS. ...................... 26 
Hình 1.8.Máy tính OBC750 của SST. ...................................................................................... 28 
Hình 2.1. Sơ đồ khối phân hệ ADCS trên vệ tinh .................................................................... 31 
Hình 2.2. Mô hình vệ tinh ........................................................................................................ 33 
Hình 2.3. Mô hình bánh xe động lượng .................................................................................... 33 
Hình 2.4. Mô hình vệ tinh với các bánh xe động lượng ........................................................... 34 
Hình 2.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển tư thế vệ tinh .................................................................... 36 
Hình 2.6. Bám theo tốc độ góc ở chế độ chụp ảnh ................................................................... 37 
Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo của một cảm biến tốc độ góc cơ học. ................................................. 39 
Hình 2.8. Cảm biến tốc độ góc sợi quang................................................................................. 40 
Hình 2.9. Cấu tạo của một cảm biến sao. ................................................................................. 42 
Hình 3.1. Sơ đồ khối cơ bản của bộ ước lượng tư thế trên vệ tinh (Tác giả tổng hợp từ nhiều 
nguồn).............................................................................................................................. 45 
Hình 3.2. Ví dụ kết quả hợp nhất bằng phương pháp trọng số (nguồn: kết quả mô phỏng trong 
tài liệu kỹ thuật của VNREDSat-1). ................................................................................ 48 
Hình 3.3. Biểu diễn hình học của phép quay X-Y-X bằng cặp vec-tơ Pivot a’ và b’. ............ 51 
Hình 4.1. Kết quả ước lượng tư thế vệ tinh (Roll, Pitch, Yaw) bằng phương pháp trọng số. .. 60 
Hình 4.2. Sai số trỏ hướng của vệ tinh phương pháp ước lượng tư thế bằng phương pháp trọng 
số ..................................................................................................................................... 61 
Hình 4.3. Kết quả ước lượng tư thế (Roll, Pitch, Yaw) có bù độ trượt cảm biến tốc độ góc 
bằng bộ lọc Kalman mở rộng .......................................................................................... 62 
Hình 4.4. Sai số trỏ hướng của vệ tinh khi dùng bộ lọc Kalman mở rộng có bù độ trượt cảm 
biến tốc độ góc. ............................................................................................................... 63 
Hình 5.1. Sơ đồ bộ hiệu chỉnh fuzzy ........................................................................................ 72 
Hình 5.2. Hàm đánh giá đầu vào trung bình ............................................................................. 73 
Hình 5.3. Hàm đánh giá đầu ra ................................................................................................ 73 
Hình 5.4. Kết quả mô phỏng bằng bộ lọc EKF ........................................................................ 76 
 9 
Hình 5.5. Kết quả mô phỏng bằng EKF khi bị nhiễu ............................................................... 76 
Hình 5.6. Kết quả mô phỏng khi có bù bằng thuật toán fuzzy ................................................. 77 
Hình 5.7. Tư thế vệ tinh khi chụp ảnh ...................................................................................... 78 
Hình 5.8. Tốc độ góc của vệ tinh khi chụp ảnh ........................................................................ 79 
Hình 5.9. Sai số xác định tư thế vệ tinh .................................................................................... 79 
Hình 5.10. Tư thế vệ tinh khi chụp ảnh ................................................................... ... ỏ 
đến các kết quả mô phỏng cũng như trong xây dựng các kịch bản mô phỏng. 
 Ngoài ra, một trong những yêu cầu quan trọng của các phần mềm trên vệ tinh là 
tính ổn định, tin cậy và đặc biệt là phải có cấu trúc đơn giản nhưng vẫn đảm bảo hiệu 
năng nhất định (đối với phần mềm dự đoán tư thế là độ chính xác về tư thế vệ tinh). Do 
vậy, hoạt động của các vệ tinh thương mại cỡ nhỏ thường có sự hỗ trợ tính toán và giám 
sát từ trạm mặt đất. Việc áp dụng các thuật toán kháng lỗi nhằm tăng tính chính xác và 
tự động của vệ tinh là một trong những xu hướng nhằm tăng tính linh hoạt và độ chính 
xác của vệ tinh nhưng cũng đòi hỏi rất nhiều nghiên cứu và kiểm chứng trước khi áp 
dụng trong môi trường vũ trụ. 
 Tác giả có một số kiến nghị sau đây: 
- Nghiên cứu chuyên sâu về các thuật toán xác định tư thế tối ưu giữa hiệu năng 
và nguồn tài nguyên trên vệ tinh. Đặc biệt mô phỏng trên các thiết bị phần cứng 
như các chip FPGA hoặc SoC (System on Chip). 
- Nghiên cứu về ứng dụng phương pháp biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các tham số 
Pivot. Đây là một phương pháp hoàn toàn mới cần nghiên cứu để đánh giá khả 
năng áp dụng cho phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh. 
 86 
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 
 Luận án này là công trình nghiên cứu liên quan đến thiết kế và mô phỏng cho 
phân hệ ước lượng tư thế nói riêng và xác định và điều khiển tư thế nói chung cho vệ 
tinh nhỏ quan sát Trái đất gắn với các thông số và kịch bản thực tế. Luận án có những 
đóng góp mới như sau: 
- Trên cơ sở chức năng, hoạt động và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến sao và 
cảm biến tốc độ, tác giả đã đề xuất giải pháp hợp nhất dữ liệu để ước lượng tư 
thế của vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất một cách chính xác và tin cậy, với các thuật 
toán đơn giản dễ triển khai trên các thiết bị trên vệ tinh (với nhiều ràng buộc về 
năng lượng, dung lượng bộ nhớ và năng lực xử lý). 
- Tác giả đã đề xuất phương pháp kháng lỗi cho hợp nhất dữ liệu, cơ chế thích nghi 
sử dụng fuzzy logic nhằm đảm bảo bộ ước lượng tư thế hoạt động hiệu quả và 
tin cậy trong các trường hợp chất lượng đo của các cảm biến bị suy giảm, không 
đủ tin cậy như độ trượt của cảm biến tốc độ, mất tín hiệu của cảm biến sao. 
 87 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 
1. Dự đoán tư thế vệ tinh quan sát Trái đất bằng phương pháp hợp nhất dữ liệu đa 
cảm biến, Kỷ yếu Hội thảo khoa học “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ 
vũ trụ - 2011”, Viện Công nghệ vũ trụ, 2011. 
2. Hợp nhất dữ liệu cảm biến tốc độ quay và cảm biến sao để dự đoán tư thế vệ tinh 
nhỏ, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc của Công nghệ 
thông tin và truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 
3. Xác định tư thế bằng bộ kết hợp cảm biến sao và con quay hồi chuyển trên vệ tinh 
VNREDSat-1, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ trụ và Ứng dụng – Hà Nội, 19/12/2014 
4. Hiệu chỉnh quỹ đạo cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất trên quỹ đạo đồng bộ Mặt 
trời, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ trụ và Ứng dụng – Hà Nội, 19/12/2014. 
5. Small satellite attitude determination by gyroscope and star tracker fusion, 
International Conference on Information and Convergence Technology for Smart 
Society - Ho Chi Minh, 1/2016 
6. A New Approach for Small Satellite Gyroscope and Star Tracker Fusion, Indian 
Journal of Science and Technology, Volume 9, Issue 17, 5/2016 (tạp chí thuộc danh 
mục SCOPUS). 
7. Xác định quỹ đạo vệ tinh viễn thám phù hợp với điều kiện Việt Nam, Tạp chí Khoa 
học đo đạc và bản đồ, số 34-12/2017. 
8. Proposed design of a fault-tolerance attitude estimator for small earth observation 
satellite, International Journal of Mechanical Engineering & Technology (IJMET), 
Volume 9, Issue 1, 1/2018 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS). 
9. Study on the needs and proposal for high and very high resolution satellite remote 
sensing systems in Viet Nam, International Journal of Civil Engineering & 
Technology (IJCIET), Volume 9, Issue 1, 1/2018 (tạp chí thuộc danh mục 
SCOPUS). 
 88 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Tiếng Việt: 
[1] Nguyễn Khoa Sơn, Phạm Thượng Cát, Nguyễn Đức Cương, Các phương pháp 
xác định tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất, NXB Khoa học Công nghệ, 2012. 
[2] Phạm Minh Tuấn, Điều khiển bám tư thế với nhiều tham số bất định, Tạp chí tin 
học và điều khiển, 2010 
[3] Trần Mạnh Tuấn, Công nghệ vệ tinh, Nhà xuất bản KH&KT, 2007 
[4] Thái Quang Vinh, Bài giảng Động học hệ thống lớn, 2013 
Tiếng Anh: 
[5] Akram Adnane, Zoubir Ahmed Foitih et al, Real-time sensor fault detection and 
isolation for LEO satellite attitude estimation through magnetometer data, 
Advances in Space Research, 2017. 
[6] Alex da Silva Curiel, Orbital Motion, 2000. 
[7] Andrew b. Watson, Denis G. Pelli, QUEST: A Bayesian adaptive psychometric 
method, Perception & Psychophysics, 1983 
[8] Ashish Tewari, Modern Control Design with Matlab and Simulink, John Wiley & 
Son, Ltd , West Sussex England 2002. 
[9] Bar-Itzhack, I. Y., Deutschmann, J., and Markley, F. L., Quaternion 
Normalization in Additive EKF for Spacecraft Attitude Determination, AIAA 
Guidance, Navigation, and Control Conference, New Orleans, LA, Aug. 1991, 
AIAA-91-2706. 
[10] Blanke, Mogens, Larsen and Martin Birkelund, Satellite Dynamics and Control 
in a Quaternion Formulation, Technical University of Denmark, 2010 
[11] Bong Wie, Space Vehicle Dynamics and Control (2nd edition), American 
Institute of Aeronautics and Astronautics, 2008. 
[12] Christopher D. Hall, Spacecraft Attitude Dynamics and Control, Copyright Chris 
Hall January 12, 2003. 
[13] Crassidis, J. L., Sigma-Point Kalman Filtering for Integrated GPS and Inertial 
Navigation. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, San Francisco, 
CA, 2005 
[14] Crassidis, J.L. and Markley, F.L., Unscented Filtering for Spacecraft Attitude 
Estimation. Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 26, No. 4, 2003 
[15] Deutschmann, J., Markley, F. L., and Bar-Itzhack, I. Y., Quaternion 
Normalization in Spacecraft Attitude Determination, Proceedings of the Flight 
Mechanics/Estimation Theory Symposium, (NASA/CP-1992-3186) NASA-
Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, 1992. 
 89 
[16] Dipl. -Ing. Karsten Groÿekatthöfer, Dr. -Ing. Zizung Yoon, Introduction into 
quaternions for spacecraft attitude representation, 2012 
[17] E.J. Lefferts, Kalman Filtering for Spacecraft Attitude Estimation, Journal of 
Guidance, Control and Dynamics, Volume 5, Numer 5, 1982 
[18] F. Landis Markey, John L. Crassidi, Yang Cheng, Nonlinear Attitude Filtering 
Methods, NASA Goddard Space Flight Center, 2009 
[19] Geogr Grillmayer, FPGA-based attitude control system architecture for 
increased performance, 20th Annual AIA/USU conference on small satellite, 
2017 
[20] Gérard Maral, Michel Bousquet, Satellite Communications Systems. Systems, 
Techniques and Technology, Fourth Edition, John Wiley & Sons, Ltd, 2003. 
[21] H. E. Emara-Shabaik, Spacecraft spin axis attitude, IEEE Trans. Aerosp. 
Electron. Syst., vol. 28, no. 2, 1992. 
[22] H. E. Soken, C. Hajiyev and S. Sakai, Robust Kalman filtering for small satellite 
attitude estimation in the presence of measurement faults, European Journal of 
Control, 2014 
[23] H.E. Soken, C. Hajiyev, Pico satellite attitude estimation via robust unscented 
Kalman filter in the presence of measurement faults, ISA Trans. 49 (2010). 
[24] H.E. Soken, C. Hajiyev, UKF-based reconfigurable attitude parameter 
estimation and magnetometer calibration, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst. 48 
(3) (2012) 2614–2627. 
[25] J. A. Christian and E. G. Lightsey, The sequential optimal attitude recursion 
filter, 1965. 
[26] J. Dunik, M. Simandl, O. Straka, Methods for estimating state and measurement 
noise covariance matrices: aspects and comparison, Proceedings of the 15th 
IFAC Symposium on System Identification, Saint-Malo, France, 2009, 
[27] J. J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control, Englewood Cliffs: 
Prantice-Hall, 1991. 
[28] J. L. Crassidis and F. L. Markley, An MME-based attitude estimator using Vec-
tơ observations, NASA Conf. Publ., 1995. 
[29] J. L. Crassidis and F. L. Markley, Predictive filtering for attitude estimation 
without rate sensors, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 20, no. 3, 
May 1997. 
[30] Jack B. Kuipers, Quaternions and Rotation Sequences, Princeton University 
Pres, 2002. 
[31] James C.Wilcox, A new Algorithm for strapped-down inertial navigation, IEEE 
Transactions on aerospace and electronic systems, Sep, 1967. 
[32] Janos Samio, Pham Thuong Cat, Janos Somlo, Advanced Robot Control, 1995. 
[33] Jason Tuthill, Design and Simulation of a nano-satellite attitude determination 
system, 2009. 
[34] Jaxa Aerospace Exploitation Agency (JAXA), Design standard attitude control 
design, 3/2014 
 90 
[35] John L. Crassidis and John L. Junkins, Optimal estimation of Dynamic Systems, 
2004 
[36] John L. Crassidis, Angular Velocity Determination Directly from Star Tracker 
Measurements, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 25, No. 6, 
2002. 
[37] John L. Crassidis, F. Landis Markley and Yang Cheng, A Survey of Nonlinear 
Attitude Estimation Methods, 2007 
[38] K. Vinther, K.F. Jensen, J.A. Larsen, R. Wisniewski, Inexpensive cubesat 
attitude estimation using quaternions and unscented Kalman filtering, Auto. 
Control Aerosp. 4 (2011). 
[39] Lerner, G.M., Q-method, Spacecraft Attitude Determination and Control, J.R. 
Wertz, Kluwer Academic Publishers, the Neitherland, 1978 
[40] Lewis, F. L., Optimal Estimation with an Introduction to Stochastic Control 
Theory, John Wiley & Sons, New York, NY, 1986. 
[41] Lin, C.T. and Lee, C.S.: Neural Fuzzy Systems, A Neuro-Fuzzy Synergism to 
Intelligent Systems. Prentice Hall, 1995. 
[42] Lo, J. T.-H., Optimal Estimation for the Satellite Attitude Using Star Tracker 
Measurements, Automatica, Vol. 22, No. 4, 1986. 
[43] M. D. Shuster, A survey of attitude representation, J. Astronaut. Sciense, Vol. 
41, No. 4, 1993. 
[44] M.A. SI Mohammed et al, Performance comparison of attitude determination, 
attitude estimation, and nonlinear observers algorithms, Journal of Physics, Conf. 
Ser. 783 012017, 2017. 
[45] Marcel J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control - A Practical Engineering 
Approach. Cambridge University Press, 2001. 
[46] Markley, F. L., Attitude Estimation or Quaternion Estimation?, Journal of the 
Astronautical Sciences, Vol. 52, No. 1/2, 2004. 
[47] Mokhtar Aboelaze, Osama El-Deeb, Ahmed El-Bayoumi Mansoury, Mohamed 
Ghazy Shehata, FPGA Implementation of a Satellite Attitude Control using 
Variable Structure Control, the 2nd International Conference on Computer 
Science and Engineering, 2014 
[48] Morten Pedersen Topland and Jan Tommy Gravdahl, Nonlinear attitude control 
of the micro-satellite ESEO, Proceedings of the 55th International Astronautical 
Congress 2004 - Vancouver, Canada. 
[49] Muhammad Yasir, Simulation-based testing of embedded attitude control 
algorithm of an FPGA based Micro satellite, Small satellite conference, 2009. 
[50] Nor HazaduraHamzah, SazaliYaacob, HariharanMuthusamy, Norhizam 
Hamzah, Nonlinear observers for attitude estimation in gyroless spacecraft via 
Extended Kalman filter algorithm, International Journal of Scientific and 
Research Publications, Volume 4, Issue 10, October 2014. 
[51] P. Zarchan, H. Musoff, Fundamentals of Kalman Filtering; A Practical 
Approach, AIAA, Virginia, USA, 2000. 
 91 
[52] Paik, B.S. and Oh, J.H., Gain fusion algorithm for decentralised parallel 
Kalman filters, IEEE Proc. Control Theory Appl., 147 (1), 2000. 
[53] Passino, K.M. and Yurkovich, S., Fuzzy Control. Addison-Wesley, 1998 
[54] Pedro Albertos and Antoniio Sala, Fuzzy logic controllers. Advantages and 
drawbacks, 1998 
[55] Petter Karlsson, Survey of Methods of Combining Velocity Profiles with Position 
control, IDT Workshop on Interesting Results in Computer Science and 
Engineering, 2009 
[56] Quang M.Lam and John L.Crassidis, Precision Attitude Determination Using a 
Multiple Model Adaptive Estimation Scheme, 2007. 
[57] Robert Stengel, Spacecraft Sensors and Actuators, Princeton University, 2016 
[58] Russell P.Patera, New fundamental parameters for attitude representation, 
Advances in Space Research, Vol 60, 2017 
[59] Shahrokh Akhlaghi, Ning Zhou and Zhenyu Huang, Adaptive Adjustment of 
Noise Covariance in Kalman Filter for Dynamic State Estimation, Cornell 
University Library, 2017. 
[60] Shepperd, S.W., Quaternion from Rotation matrix. Journal of Guidance and 
Control, Vol. 1, No. 3, 1978 
[61] Shuster, M. D., Constraint in Attitude Estimation Part I: Constrained 
Estimation, Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 51, No. 1, 2003. 
[62] Shuster, M. D., Constraint in Attitude Estimation Part II: Unconstrained 
Estimation, Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 51, No. 1, 2003. 
[63] Shuster, M.D, và Oh, S.D., Three-axis Attitude Determination from Vec-tơ 
Observation. Journal of Guidance and Control, Vol.4, No. 1, 1981 
[64] Sigurd Skogestad and Ian Postlethwaite, Multivatiable Feedback Control: 
Analysis and Design, Wiley, 2005. 
[65] Soken H.E., Hajiyev C., Sakai S., Robust Kalman Filtering with Single and 
Multiple Scale Factors for Small Satellite Attitude Estimation, Advances in 
Estimation, Navigation, and Spacecraft Control. ENCS 2012. Springer, Berlin, 
Heidelberg 
[66] Surrey Satellite Technology US LLC, OBC750 LEO Flight Computer. 
[67] Surrey Satellite Technology, OBC750 LEO Flight Computer 
[68] Tamer Mekky Ahmed Habib, A new optimal fusion algorithm for spacecraft 
attitude determination and estimation algorithms, The Egyptian Journal of 
Remote Sensing and Space Sciences, 2017. 
[69] Thai Quang Vinh, Kaoru Hirota, Decentralized robust fuzzy sliding mode control 
design of interconnected uncertain system, Journal of Advanced Computational 
Intelligence, 2002 
[70] Tsoukalas, L.H. and Uhrig, R.E., Fuzzy and Neural Approaches in Engineering. 
Wiley-Interscience, 1997 
[71] Tsoukalas, L.H. and Uhrig, R.E., Fuzzy and Neural Approaches in Engineering. 
Wiley-Interscience, 1997 
 92 
[72] Vladimir A. Chobotov, Spacecraft Attitude Dynamics and Control, Krieger 
Publishing Company, Malabar Florida, 1991. 
[73] Wahba, G., A Least-Squares Estimate of Satellite Attitude, SIAM Review, Vol. 
7, No. 3, 1965 
[74] Wan, E. and Van der Merwe, The Unscented Kalman Filter. Kalman Filtering 
and Neural Networks, John Wiley & Sons, 2001 
[75] Welch, G., Bishop, G., An Introduction to the Kalman Filter, The University of 
North Carolina at Chape Hill, 1995. 
[76] Wiley J. Larson and James R. Wertz, Space Mission Analysis and Design, 
K1uwer Academic Publisher 2005. 
[77] Y. Yafei and L. Jianguo, Particle filtering for gyroless attitude/angular rate 
estimation algorithm, 2010 First Int. Conf. Pervasive Comput. Signal Process. 
Appl., pp. 1188–1191, Sep. 2010.