Projeto de uma bobina de Helmholtz voltada para teste de sistema de controle de atitude em malha fechada para CubeSats

Abstract

O Sistema de Determinação e Controle de Atitude (ADCS) é um componente essen- cial em missões espaciais, fornecendo informações cruciais sobre a orientação do satélite para o sistema de controle. O desenvolvimento de um ADCS robusto e efi- ciente envolve uma série de etapas rigorosas, desde o projeto inicial até a validação final, garantindo que o sistema atenda aos requisitos de desempenho e confiabilidade, alcançando maior Nível de Prontidão Tecnológica (TRL). A Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) se destaca como um centro de excelência no desenvolvimento de CubeSats no Brasil. Diversos projetos estão em andamento utilizando a plataforma FloripaSat, lançada com sucesso em 2019, que inclui o Módulo de Gerenciamento de Dados a Bordo (OBDH), o Módulo de Telemetria, Rastreamento e Comando (TTC) e o Módulo de Gerenciamento de Energia Elétrica (EPS). Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma de testes, tanto para hardware quanto para software, dedicada ao controle de atitude de CubeSats. A plataforma tem a capaci- dade de simular dinamicamente o campo geomagnético em Órbita Terrestre Baixa (LEO), neutralizando o campo magnético ambiente. Desta forma, este dispositivo per- mitirá avanços significativos no desenvolvimento de futuras plataformas ADCS com tecnologia nacional, alta confiabilidade e baixo custo. O módulo central deste trabalho é a utilização de bobinas de Helmholtz. O controle preciso da corrente nas bobinas permite gerar um campo magnético variável ao longo do tempo e torna a fonte de cor- rente um elemento crítico na aplicação. A estabilidade do sistema é fundamental para garantir o controle preciso do dispositivo e a simulação precisa do ambiente espacial.

Abstract: The Attitude Determination and Control System (ADCS) is an essential component in space missions, providing crucial information about the satellite?s orientation to the control system. The development of a robust and efficient ADCS involves a series of rigorous steps, from the initial design to final validation, ensuring that the system meets performance and reliability requirements, achieving a higher Technology Readiness Level (TRL). The Federal University of Santa Catarina (UFSC) stands out as a center of excellence in CubeSat development in Brazil. Several projects are underway using the FloripaSat platform, successfully launched in 2019, which includes the On-Board Data Handling (OBDH) Module, the Telemetry, Tracking, and Command (TTC) Module, and the Electrical Power System (EPS) Module. This work presents the development of a testing platform, for both hardware and software, dedicated to CubeSat attitude control. The platform has the capability to dynamically simulate the geomagnetic field in Low Earth Orbit (LEO), neutralizing the ambient magnetic field. In this way, this device will enable significant advances in the development of future ADCS platforms with national technology, high reliability, and low cost. The central module of this work is the use of Helmholtz coils. Precise control of the current in the coils allows the generation of a time-varying magnetic field and makes the current source a critical element in the application. System stability is fundamental to guarantee precise device control and accurate simulation of the space environment.