Attitude Control of CubeSat Using Geometric Disturbance Observer. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_Meral.pdf Restricted to Repository staff only until 7 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تصميم وتقييم عالي الدقة لوحدة تحكم هندسية لتتبع الوضعية Geometric Attitude Tracking Controller مدمجة مع مراقب هندسي للاضطرابات Geometric Disturbance Observer لقمر اصطناعي من نوع CubeSat بحجم 6 وحدات 6U يعمل في المدار الأرضي المنخفض (LEO). تم صياغة بنية التحكم المقترحة مباشرة على زمرة الدوران الخاصة SO(3)، مما يجنّب مشكلات التفرد المرتبطة بتمثيل زوايا أويلر، ويزيل الغموض الكامن في تمثيلات الكواتيرنيون. تم تطوير تقنية إعادة توجيه سلسة تعتمد على استيفاء من الدرجة الخامسة (Quintic Interpolation) على SO(3)، بهدف توليد مسارات مستمرة لكل من الوضعية، والسرعة الزاوية، والتسارع الزاوي، مع مراعاة حدود عزم عجلات رد الفعل. ولتعزيز متانة النظام في مواجهة الاضطرابات، تم دمج مُقدِّر اضطرابات هندسي لتقدير وتعويض تأثيرات عزم تدرج الجاذبية، وضغط الإشعاع الشمسي، والسحب الهوائي، والاضطرابات المغناطيسية، وغيرها من عزوم الاضطرابات الخارجية. تم اختبار البنية المقترحة باستخدام محاكاة عالية الدقة عبر برنامج Systems Tool Kit (STK) في ظل ظروف مدارية واقعية. أظهرت النتائج تقاربًا ناجحًا انطلاقًا من أخطاء ابتدائية في الوضعية تقارب 180 درجة، وأداء توجيه بدقة دون الدرجة الواحدة، مع تحقيق متطلب دقة يبلغ 0.1 درجة بشكل مستمر، بالإضافة إلى أخطاء تتبع محدودة وأوامر تحكم تقع ضمن حدود تشبع المشغلات. كما تم تأكيد صحة التنفيذ وأداء التتبع التنافسي من خلال التحقق باستخدام مناورة Slew 1B القياسية. تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن الجمع بين التحكم الهندسي في التتبع وتقدير الاضطرابات يوفر حلاً قويًا وممكنًا من الناحية الحسابية لمهام التوجيه عالية الدقة للأقمار الصناعية الصغيرة من نوع CubeSat في بيئات مدارية واقعية ضمن مدار LEO.

English Abstract

This thesis investigates the design and high-fidelity evaluation of a geometric attitude tracking controller integrated with a geometric disturbance observer for a 6U CubeSat operating in Low Earth Orbit (LEO). The proposed control structure is formulated directly on the Special Orthogonal Group SO(3), thus avoiding singularity issues associated with Euler angle representations and eliminating the ambiguity inherent in quaternion-based representations. A smooth retargeting technique, based on quintic interpolation on SO(3), is designed to generate continuous attitude, angular velocity, and angular acceleration profiles while satisfying reaction wheel torque limits. To improve robustness against perturbations, a geometric disturbance observer is incorporated to estimate and account for gravity-gradient, solar radiation pressure, aerodynamic drag, magnetic, and other disturbance torques. The proposed architecture is tested through a high-fidelity Systems Tool Kit (STK) simulation under realistic orbital conditions. The results demonstrate successful convergence from near-180 degree initial attitude errors, subdegree pointing performance consistently within the 0.1 degree tolerance requirement, bounded tracking errors, and actuator commands that satisfy saturation limits. Benchmark validation using the Slew 1B maneuver further confirms correct implementation and competitive tracking performance. The results of this study have shown that geometric tracking control combined with disturbance estimation provides a robust and computationally feasible solution for high-precision CubeSat pointing missions in realistic LEO disturbances.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Research Research > Engineering Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Syed Saad Ali,
Thesis Committee Members:	Md Ismail Hossain, Ramy Rashad,
Depositing User:	MERAL BADR (g202392130)
Date Deposited:	11 May 2026 10:40
Last Modified:	11 May 2026 10:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144185