Nanosatellite task scheduling algorithm for energy harvesting and QoS enhancement tested through a self-proposed thermal-electrical model

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vega Martínez, Sara
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/235402
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2022.
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spelling Nanosatellite task scheduling algorithm for energy harvesting and QoS enhancement tested through a self-proposed thermal-electrical modelEngenharia elétricaNanossatélitesEnergia solarEconomia de energiaAlgorítmosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2022.Esta tese apresenta um algoritmo embarcado original de escalonamento de tarefas que maximiza a captação de energia para sistemas de energia elétrica nanossatélites que garante tempos de tarefa, otimiza a colheita de energia e a execução de tarefas, mantendo as baterias dentro dos limites de energia seguros. O algoritmo de escalonamento de energia é composto por um algoritmo P\&O modificado para atingir o melhor ponto de eficiência energética dos painéis fotovoltaicos. O algoritmo também define as prioridades das tarefas para garantir seus tempos e qualidade de serviço (QoS) mínima e utiliza o clássico problema de otimização de mochila para alcançar um ponto ótimo de execução de tarefas e maximizar a eficiência energética dos satélites. Em complemento, esta tese propôs um modelo original de simulação termoelétrica para um CubeSat. O modelo proposto considera os efeitos térmicos e elétricos da bateria e dos painéis fotovoltaicos de um Cubesat para cada instante de tempo em uma determinada órbita e configuração de atitude. Usando as equações físicas que regem os modelos térmicos e elétricos envolvidos durante uma operação CubeSat, o modelo integrado proposto pode estimar as condições de temperatura e energia da bateria, não apenas de forma isolada, mas também ao considerar seus efeitos mútuos no sistema. Além disso, atenção especial é dada aos painéis fotovoltaicos utilizados no processo de captação de energia, cujo desempenho é afetado pela irradiância e temperatura ao longo da órbita. A tese mostra simulações do modelo proposto, com variações nos requisitos de potência e na temperatura da bateria ao longo da órbita. O modelo integrado pode ser útil para os engenheiros no desenvolvimento dos subsistemas de seus CubeSats, levando em consideração, por exemplo, o controle da temperatura da bateria por meio de um aquecedor. Por fim, a tese também demonstra os resultados do algoritmo original de otimização de programação de energia on-board testado através do novo modelo termoelétrico em uma órbita síncrona solar típica a 620 km. Os resultados mostram que o novo algoritmo de escalonamento de energia maximiza a execução das tarefas enquanto coleta o máximo de energia dos painéis solares e garante um balanço energético positivo independentemente da órbita e das condições iniciais do estado de carga das baterias.Abstract: This thesis presents an original an on-board energy scheduling optimization algorithm for nanosatellite electrical power systems that assures task times, optimizes harvest energy and task execution while keeping the batteries within safe power limits. The energy scheduling algorithm is composed of a P\&O algorithm modified to reach the best energy efficiency point of the photovoltaic panels. The algorithm also defines the task priorities to guarantee their times and minimum Quality of Service (QoS). Finally, it uses the classic backpack optimization problem to reach an optimal point of execution of tasks and maximize satellites' energy efficiency. In addition, this thesis proposed an integrated thermal-electrical simulation model for a CubeSat. The proposed model considers the thermal and electrical effects of the battery and photovoltaic panels in a Cubesat, each instant of time in a given orbit and attitude. Using the physical equations that govern the thermal and electrical models involved during the CubeSat operation, the proposed integrated model can estimate the temperature and energy conditions of the battery, not only in an isolated way but also when considering their mutual effects on the system. Besides, special attention is given to photovoltaic panels used in the energy harvesting process, whose performance is affected by irradiance and temperature along the orbit. The thesis introduces simulations of the proposed model, with variations in the power requirements of its modules and the battery's temperature throughout the orbit. The integrated model can be helpful for engineers when developing the subsystems of their CubeSats, taking into account, for example, the battery temperature control through a heater. Finally, the thesis also demonstrates the results of the original an on-board energy scheduling optimization algorithm tested through the novel thermal-electrical model in a typical sun-synchronous orbit at 620 km. The results show that the novel energy scheduling algorithm maximizes tasks' execution while harvesting maximum energy from solar panels. In addition, it guarantees a positive energy balance regardless of the orbit and the initial conditions State of the Charge (SoC) of the batteries.Bezerra, Eduardo AugustoUniversidade Federal de Santa CatarinaVega Martínez, Sara2022-06-02T23:16:10Z2022-06-02T23:16:10Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis112 p.| il., gráfs.application/pdf376346https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/235402engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-06-02T23:16:10Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/235402Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-06-02T23:16:10Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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