[Ci2017] Simuladores de Satélites

Mission Simulation Lab
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Missio
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Ficha:
Nome: Apresentação sobre Simuladores de Satélite
Local: INPE
Data: 2017-07-04 – 08h00  10h00
Público Alvo: Alunos de Graduação - Multidisciplinares
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Agenda, roteiro, plano, conteúdos...
(~2h) de Apresentação
▪ Conceitos de M&S (Modelling and Simulation) da área espacial
▪ (MSc. Christopher Cerqueira) Prof. Ana Ambrosio
▪ Simuladores aplicados ao controle de atitude e órbita de satélites
▪ (PhD. Willer Gomes)
▪ Simuladores operacionais
▪ (MSc. Italo Rodrigues)
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~30m
~30m
~30mMini-
Estágio

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Simuladores de Satélite

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O que é um modelo?
O que é um simulador?
Pra que usar simuladores?
Exemplos

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Conceitos e nomenclatura de
simuladores de satélites
Profa. Dra. Ana Maria Ambrosio
• Professora da CSE – “Conceitos e práticas de
Verificação e Validação de Sistemas Espaciais”
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aluno de Ph.D.

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Modelos
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é um conjunto de
instruções, regras,
equações e restrições que
nos permite gerar
resultados
semelhantes aos gerados
pelo comportamento do
sistema real.
“...all models are wrong; the practical question
is how wrong do they have to be to not be
useful.” (Box and Draper 1987)
Empirical Model-Building and Response Surfaces

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Tipos
Físicos
Estrutural
Térmico
Eletromagnético
“Cyberphysical”
Lógicos
Estados
Dinâmico
...
Lógicos + Hardware Hardware (lógica
embarcada)
D.o.D. + ECSS
definem + de 60
tipos de
modelos.

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Simuladores

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Simuladores
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é usualmente um sistema
que pode executar um
modelo para reproduzir seu
comportamento. O termo
simulador pode se referir a
software, hardware ou
ambos.

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Para que usar simuladores?
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Usos de simulação na engenharia espacial:
1. Análise, definição e validação de requisitos
2. Verificação e validação dos softwares.
3. Desenvolvimento de equipamentos (EGSE) e de
procedimentos de teste.
4. Apoio as atividades de teste
5. Previsão de performance do sistema.
6. Desenvolvimento e validação de procedimentos operacionais.
7. Avaliação de solução de problemas
8. Treinamento de equipes
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Electrical Ground
Support Equipment
MGSE
(Mechanical)

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Ciclo de Vida
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Ciclo de Vida
Fase 0 –
Concepção
Fase A –
Viabilidade
Fase B –
Projeto
Preliminar
Fase C –
Projeto
Detalhado
Fase D –
Produção e
Qualificação
Fase E –
Operação
Fase F –
Descarte

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CiclodeVida
(DiagramaV)

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CiclodeVida
(Domínios)

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CiclodeVida
(Modelos)

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ECSS-E-TM-10-21A
Incremento de modelos.

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System Concept Simulator
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Mission Performance Simulator
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Functional Engineering Simulator
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Functional Validation Testbench
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Software Validation Facility
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Virtual Spacecraft AIV
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Ground Test Simulator
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Training, Operations and Maintenance Simulator
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Exemplos Específicos
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Físico: Simuladores térmicos
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Modelo Térmico de satélite japonês
Modelo de Engenharia do Satélite CBERS-3
Modelo Termo-estrutural do CBERS-2B
Modelo de Voo do satélite CBERS-2B

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Físico: Simuladores radioelétricos e comunicação
RF Suitcase dos satélites SCD-1 e SCD-2
Modelo RADIOELÉTRICO do CBER-3
Simula a transmissão e
recepção de sinais em RF
dos satélites SCD-1 e SCD-2,
para teste das antenas das
estações terrenas.
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Lógico: Simulador de Análise de Missão
Objetivo:
i. analisar, verificar durante as fases iniciais da missão, soluções para satisfazer a missão
ii. proporcionar facilidades para análise da órbita e trajetória do satélite, análise de orçamento
(potência necessária, variação térmica), estrutura.
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Satellite Simulator for
Verification of Mission
Operational Concepts
in Pre-Phase A
Studies
Ronan A. J. Chagas, Arcélio C.
Louro, Fabiano L. de Sousa, Willer
G. dos Santos

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Lógico: Simulador fim-a-fim de missões
(Mission Performance Simulator)
Objetivo:
i. estudar conceitos e viabilidade da missão para atender seu uso finalístico.
ii. Este tipo de simulador é capaz de reproduzir todos os processos e passos significativos que
impactam a performance da missão e gerar produtos de dados finais simulados.
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Lógico: Simulador de Carga-útil
Objetivo:
i. analisar o comportamento, demonstrar performance, habilidade, validar as operações de um
determinado instrumento científico ou tecnológico, antes de sua construção ou sua operação em voo.
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Lógico: Simulador Térmico
Objetivo:
i. analisar a distribuição de temperatura e o fluxo de calor nos subsistemas e equipamentos do satélite,
através da definição de cenários de piores-casos. SindaFluente, PCTer (INPE)
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Lógico: Simulador elétrico
Objetivo:
i. Permite estudar o sistema para prevenir possíveis interferências entre módulos. Considera-se voltagem,
potência, corrente, conversores de corrente-voltagem, geradores de sinais que rastreiam um sinal de controle,
indutores, resistências, capacitores, linha de transmissão, transformadores, transistores, sensores de voltagem,
etc.
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Lógico: Simulador Estrutural
Objetivo:
i. analisar a estrutura geral do satélite, a melhor distribuição dos equipamentos dentro do satélite, etc..
Ex.: Solid Works, Nastran e Ansys
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Lógico: Simulador de Tempo-real
Avionic Test Bed ou Avionic Test Bench Simulator
Objetivo:
i. prover funções em tempo real para validar o sistema com o hardware no loop, ou com um emulador
do processador para rodar o software de bordo real.
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Lógico: Simulador de Tempo-Real
Controle de Órbita e Atitude
Objetivo:
i. analisar e testar soluções de AOCS, calibrar sensores e atuadores
ii. Tipos de análises realizadas: margem de erro de apontamento, trade-off de diferentes soluções de projeto,
performances do AOCS (análise paramétrica), degradações de performance devido à falha total ou parcial de
componentes do subsistema de controle de órbita e atitude.
iii. Composição: modelos de dinâmica de voo, ambiente espacial, inclui distúrbios. Pode conter sensores e
atuadores em hardware e/ou software.
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Lógico: Simulador de Tempo-real
Software de Supervisão de bordo
Objetivos:
i. Pode conter os modelos de dinâmica de voo e modelos dos subsistemas com os quais o OBDH
interfaceia.
ii. Simulador de Tempo real pode conter Hardware-in-the-loop – quando o simulador inclui o hardware
do computador de bordo, o simulador deve tratar os protocolos de comunicação entre os
equipamentos dentro do satélite. Exemplo destes protocolos são: MIL-STD-1553, SpaceWire,
PacketWire, UART.
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Lógico: Simulador Operacional
Objetivos:
i. validar o Segmento Solo completo e em particular, validar os procedimentos de operação de voo
(procedimentos operacionais)
ii. treinar equipes de controle da missão e equipes de estações terrenas
Ref.: Larry B. Rainey - Space Modeling and Simulation – roles and applications throughout the System Life Cycle. 2004.
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Sim
Virtual
Simuladores Operacionais no INPE
SIMS – to the
SCDs
• 1991
• Fortran
• High Fidelity
• High User
Satisfaction
SIMC – To the
CBERS
• 1998
• C++
• Medium
Fidelity
• Medium User
Satistaction
FBMSIM – To
the FBM
• 2002
• C++
• Medium
Fidelity
• User
satisfaction
not evaluated
SIMC3 – To the
CBERS-3&4
• Under
development
• C++
• High fidelity
• In
development
(AMBROSIO et al., 2006)
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~=

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Alguns “livros” da área:
▪Não tem implementação
▪Conceitos de
organização
▪Generalistas
▪Bom/ruim
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Linguagens comuns na
construção de simuladores:
• C++,
• Fortran,
• Java,
• Python

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Exemplos by specialists
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Simuladores aplicados ao controle de atitude
e órbita de satélites
Willer Gomes
• PhD CMC
Simuladores operacionais
Italo Rodrigues
• MSc. CSE e PCI - Testes de Modelos

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