Das Kleinsatellitenprogramm des Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart ist ein sehr ambitioniertes Projekt. Geplant ist die Entwicklung, der Bau und der Betrieb mehrerer Kleinsatelliten mit den unterschiedlichsten Missionszielen. Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Algorithmen zur Lagekontrolle der ersten beiden Kleinsatelliten dieses Programms, des Flying Laptop und PERSEUS. Der Flying Laptop, als erster Satellit dieser Reihe, dient der Technologieerprobung und der Erdbeobachtung. Seine Startmasse wird etwa 120 kg betragen und er ist mit etwa 60 cm×70 cm×80 cm der kleinste Satellit des Programms. Neben der Erdfernerkundung mit den Nutzlastkameras im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich sind mit dem Flying Laptop Experimente zur optischen Datenübertragung, der Suche nach erdnahen Objekten im All und die Erprobung verschiedener neuer Komponenten, Materialien und Verfahren geplant. PERSEUS wird auf der Grundlage der für den Flying Laptop aufgebauten Infrastruktur und der gemachten Erfahrungen entwickelt. Sein Missionsziel ist die Erprobung zweier am IRS gebauter elektrischer Antriebe und die UV-Astronomie. Hierfür wird der maximal 150kg schwere Satellit mit den entsprechenden Tanks, dem Arcjet-Triebwerk TALOS und dem Magnetplasmadynamischen Triebwerk ADD SIMP-LEX, sowie mit einem Teleskop mit Rowland-Spektrometer ausgerüstet sein. Auch das Lagekontrollsystem von PERSEUS soll auf dem des Flying Laptop aufbauen. Hierfür müssen aber die Algorithmen zur Lageregelung angepasst werden. In dieser Arbeit wird dargelegt, wie sich die sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Lagekontrolle der Satelliten Flying Laptop und PERSEUS, und auch innerhalb der beiden Missionsziele der PERSEUS-Mission, auf die Entwicklung der Lagekontrollalgorithmen ausgewirkt haben. Wiederum auf der Grundlage der Erkenntnisse der PERSEUS-Mission wird Lunar Mission BW1 als Schlusspunkt des Kleinsatellitenprogramms gebaut und gestartet. Bei dieser Mission wird es sich um den ersten universitären Kleinsatelliten handeln, der mittels eigener Antriebe zum Mond fliegt und dort Beobachtungen der Oberfläche durchführen wird. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Weiter- und Neuentwicklung der Algorithmen der Lagekontrolle für Flying Laptop und PERSEUS im Hinblick auf ihre Stabilität, Robustheit, Pehlertoleranz und auf das autonome Reagieren auf Fehler und Gefahrenzustände. Zu Beginn der Arbeit bestand bereits die Architektur der Lagekontrollalgorithmen als ein grobes Gerüst. Durch die Umstellung des Bordrechners von einem FPGA-basierten auf einen klassischen Mikroprozessor-basierten Rechner ergaben sich aber völlig neue Möglichkeiten für das Lagekontrollsystem. So konnte beispielsweise ein Orbit-Propagator eingeführt werden. Mit dem Propagator kennt der Satellit jederzeit seine Position und seine Geschwindigkeit. Dies ist die Grundlage für die Verwendung weiterer Modelle die es dann wiederum erlaubten eine robustere und fehlertolerantere Lagekontrollsoftware zu entwerfen. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit die Hardware der Lagekontrolle weiteren kritischen Prüfungen unterzogen. Es konnten einige wichtige Vierbesserungen umgesetzt werden, welche die Ausfallsicherheit und die Verfügbarkeit des Gesamtsystems wesentlich erhöhen. Allgemein formuliert zeigt die vorliegende Arbeit anhand der Entwicklung des Lagekontrollsystems für die Kleinsatelliten Flying Laptop und PERSEUS auf, wie auch mit den begrenzten Mitteln eines Universitätsinstituts ein komplexes und autonom arbeitendes fehlertolerantes Lagekontrollsystem für universitäre Kleinsatelliten realisiert werden kann.

    The small satellite program of the Institute of Space Systems (IRS) at the University of Stuttgart is a highly ambitious project. The plan is to develop, built and operate several small satellites with a variety of mission objectives. This thesis deals with the development of algorithms for the attitude control system of the first two small satellites of this program, the Flying Laptop and PERSEUS, The Flying Laptop, the first satellite of this series, will be a technology demonstrator and Earth observation mission. Its launch mass will be about 120kg and with its dimensions of about 60cm x 70cm x 80cm it is the smallest satellite of the program. In addition to the Earth observation with the payload cameras in the visible and near infrared range, experiments in optical data transmission, the search for near-Earth objects in space and testing of several new components, materials and procedures are planned with the Flying Laptop. PERSEUS is developed on the basis of the infrastructure and experience built for the Flying Laptop. Its mission objective is to test the two IRS-built electric thrusters and UV astronomy. For this purpose the satellite, with a maximum mass of 150 kg, will be equipped with the appropriate tanks, the Arcjet thruster TALOS and the magneto-plasmadynamic thruster ADD SIMP-LEX as well as a telescope with a Rowland spectrometer. Also, the attitude control system of PERSEUS has to build on that of the Flying Laptop. To do this, however, the attitude control algorithms have to be adapted for this purpose. It is shown in this work how the very different requirements on the attitude control for the Flying Laptop and PERSEUS and also within the two objectives of the PERSEUS mission have impacted the development of the attitude control algorithms. Again, based on the findings of the PERSEUS mission the Lunar Mission BW1 is built and launched as the final mission of the small satellite program. This mission will be the first university small satellite that will reach the Moon by means of its own propulsion system. At the Moon it will conduct observations of the surface. The main focus of this work is the development of algorithms for the attitude control system of the Flying Laptop and PERSEUS with respect to stability, robustness, fault tolerance and the autonomous response to errors and hazardous conditions. At the beginning of this work the architecture of the attitude control algorithms already existed as a rough framework. Changing the on-board computer from an FPGA-based computer to a microprocessor-based system opened new possibilities for the attitude control system. For example an orbit propagator could be introduced. With the propagator the satellite knows its position and speed at all times. This is the basis for developing further models, which then allowed in rum to design a more robust and forgiving attitude control software. The attitude control hardware was also put under critical review during this work. Some important improvements were implemented, which significantly increased the reliability and availability of the overall system. In general terms this thesis shows through the development of the attitude control system for the small satellites Flying Laptop and PERSEUS, how a complex and autonomous, fault-tolerant attitude control system for university small satellites can be achieved with the limited resources of a university institute.


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    Titel :

    Entwicklung einer Simulationsumgebung und robuster Algorithmen für das Lage- und Orbitkontrollsystem der Kleinsatelliten Flying Laptop und PERSEUS


    Beteiligte:
    Zeile, Oliver (Autor:in)

    Erschienen in:

    Raumfahrt ; 1-265


    Erscheinungsdatum :

    2012


    Format / Umfang :

    265 Seiten, Bilder, Tabellen, 57 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch