APPLICATION OF THE PID CONTROL SYSTEM TO THE ROTATIONAL MOTION OF THE ARTIFICIAL SUBSATELLITE OF THE SPACE TETHER SYSTEM

Authors

  • Ramon Oliveira Borges dos Santos Centro Universitário Salesiano de São Paulo
  • Regina Elaine Santos Cabette Unisal Lorena
  • Leandro Baroni Universidade Federal do ABC
  • Maria Cecília França de Paula Santos Zanardi Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP
  • Giulliano Assis Sodero Boaventura Unisal Lorena

DOI:

https://doi.org/10.69609/1516-2893.2025.v31.n1.a4006

Keywords:

Palavras-chave: PID; STS; Satélite Artificial; Quatérnions; Sistemas de Controle

Abstract

The present work aims to analyze and apply a PID control system in the rotational movement of a subsatellite S2 and its movement around the main satellite S1 of a Space Tether System, composed of two satellites connected by a cable in space. This study will be carried out through the numerical integrations of the equations of motion, starting from known initial conditions. The translational movement of the subsatellite around the main satellite is described in spherical coordinates (l, α, β), defined by the distance and angles that position the position vector between the two satellites. The results of the numerical propagation show that S2 moves around S1 in the orbital plane of S1 around the Earth and oscillates vertically to that plane. Rotational motion is described by Euler's equations and by kinematic equations, described by quaternions, because in certain situations the kinematic equations described by Euler's angles can present singularities, making it difficult to solve the problem. The adopted methodology aims to eliminate these singularities through quaternions, since the kinematic equations in terms of quaternions do not depend on trigonometric functions. As the adopted geometry is a parallelepiped for the subsatellite S2, its behavior regarding rotation is very similar along its x and z axes. The results of the numerical integration of the equations of rotational motion with quaternions highlight the proper behavior of the quaternions and the components of the rotational velocity of the subsatellite S2. The angular velocities stabilized close to 0 rad/s, even concluding that the control was not ideal, it presented good results for the problem analyzed at that moment.

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Author Biographies

Regina Elaine Santos Cabette, Unisal Lorena

Doutora em Engenharia e Tecnologia Espaciais pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), com formação inicial em Física pela UNESP, onde também concluiu o mestrado. Possui dois pós-doutorados pelo INPE, nas áreas de Engenharia Espacial e Computação Aplicada. Atua como coordenadora dos cursos de Engenharia Civil, Mecânica e de Produção no UNISAL – Lorena, onde também leciona disciplinas do ciclo básico das engenharias e integra a Comissão de Ética em Pesquisa. Tem experiência em pesquisa na área de dinâmica de satélites artificiais, com ênfase em atitude, estabilidade e controle, tendo participado de projeto temático da FAPESP. Coordena grupo de pesquisa do CNPq com foco em inovação acadêmica, sustentabilidade e impacto social. Lidera os projetos tecnológicos UNISAL CELERITAS, voltado à construção de carro elétrico e tecnologias assistivas, e AeroUnisal, dedicado ao desenvolvimento de aeronaves para a competição SAE Brasil. Atua nas áreas de Engenharia Aeroespacial, com foco em órbitas, controle e torques em satélites, dentro do setor de Astronáutica e Espaço.

Leandro Baroni, Universidade Federal do ABC

Doutor em Engenharia e Tecnologia Espaciais pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), com graduação em Física pela UNICAMP. Atua na área de Engenharia Aeroespacial, com especialização em navegação de satélites e dispositivos aeroespaciais. Seus principais temas de pesquisa envolvem navegação por sistemas GNSS, resolução de ambiguidades, determinação de atitude e técnicas de estimação como Filtro de Kalman e mínimos quadrados. Atualmente, é Professor Associado III na Universidade Federal do ABC (UFABC).

Maria Cecília França de Paula Santos Zanardi, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP

A profissional é engenheira mecânica pela UNESP, com mestrado e doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo ITA, pós-doutorado na Universidade da Flórida e livre-docência pela UNESP. Atuou como docente no ITA e na UNESP, onde se aposentou como professora adjunta em 2013. Foi Pesquisadora Visitante Nacional Sênior da CAPES na UFABC e colaboradora na área de Engenharia Aeroespacial até 2020. Tem vasta experiência em Engenharia Aeroespacial, especialmente em dinâmica e atitude de satélites artificiais, com foco na representação, propagação e estimação de atitude, considerando torques externos como gradiente de gravidade, magnéticos, radiação solar, aerodinâmicos e de Lorentz. Coordenou projetos temáticos da FAPESP, orientou trabalhos acadêmicos em diversos níveis e instituições (ITA, INPE, UNESP, UFABC), e publicou inúmeros artigos e livros, incluindo obras didáticas na área aeroespacial e para o ensino médio. Atuou como parecerista ad-hoc de agências de fomento (FAPESP, CNPq, CAPES), relatora de periódicos científicos e editora convidada e executiva de revistas na área de matemática aplicada e engenharia.

Giulliano Assis Sodero Boaventura, Unisal Lorena

O profissional é doutor em Física com foco em Dinâmica Orbital e Planetologia pela UNESP, mestre em Ensino de Física pela UFF e especialista em educação a distância e novas tecnologias aplicadas ao ensino. Graduado em Física pela UNESP, possui experiência docente no ensino superior e básico, atuando como professor substituto na UNESP e atualmente no UNISAL, onde também é professor autor em disciplinas de Física para Engenharia na modalidade EAD. Leciona ainda nas redes públicas de ensino de São Paulo e Rio de Janeiro, além da rede privada. Suas áreas de atuação incluem Astronomia, Física de Partículas, Ensino de Física e Dinâmica Orbital, com interesse em abordagens experimentais no ensino.

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Published

2025-07-21

Issue

Section

Articles