In der Dissertation werden Algorithmen entwickelt und verifiziert, die im Navigationssystem eines wieder verwendbaren Raumtransportes (RLV, Reusable Launch Vehicle) eingesetzt werden. Das Navigationssystem wurde für das Experimentalfahrzeug PHOENIX entworfen, das zur Demonstration der Fähigkeit eines RLVs zur automatischen Landung von EADS und anderen Firmen konstruiert worden war. Die entwickelten Algorithmen sind jedoch generisch und lassen sich ebenso auf ähnliche Raumfahrzeuge anwenden. Die Grundlage des Navigationssystems ist das Kalman-Filter (KF) mit numerisch verbesserten Algorithmen zur Propagation und Korrektur der Kovarianzmatrix. Es werden verschiedene Implementierungen des Kalman-Filters untersucht, wie kontinuierliches und diskretes KF, Open-Loop-KF und numerisch verbesserte KF-Algorithmen. Als Eingangssignalquellen des KF werden vier Sensoren verwendet: Embedded GPS/INS, Differential GPS, der Radarhöhenmesser und der Laserdistanzmesser. Die wesentlichen Aufgaben des Navigationsfilters sind: die Berechnung der Navigationslösung für Lage und Drehrate mit eine Abtastrate von 50 Hz und für die Position und Geschwindigkeit mit 25 Hz; Schätzung der nicht direkt gemessenen Größen (Lage, Geschwindigkeit); die Interpolierung der Zustandsgrößen zwischen den Messzeitpunkten; die Sensorfusion, d.h. die Kombination mehrfach gemessener Größen und die Berechnung der optimalen Lösung; und die Bereitstellung einer Navigationslösung bei Ausfall eines oder mehrerer Sensoren. Die wesentlichsten Forschungsbeiträge der Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden: Entwicklung eines Simulators eines RLV-Navigationssystems zur Verifikation des Navigationsfilters; Auswahl eines geeigneten Navigationsfilterkonzepts; Herleitung der generischen Navigationsgleichungen und für PHOENIX angepassten Messgleichungen; Auswahl und Entwicklung der Filteralgorithmen und ihre Implementierung und Verifikation im Simulator und durch Flugdaten; Nachweis der Möglichkeit einer automatischen RLV-Landung mit landebahnunabhängigen Sensoren; und Nachweis der Funktion des Navigationsfilters mit Untersuchung der Genauigkeit der Navigationslösung bei Sensorausfällen. Die Arbeit ist ein weiterer Teilschritt in Richtung Entwicklung eines Navigationssystems für einen RLV.
Robuste Schätzung und Sensorfusion zur Navigation von wiederverwendbaren Raumtransportern
Robust estimation and sensor fusion for navigation of reusable launch vehicles
2007
143 Seiten, Bilder, Tabellen, 66 Quellen
S. Anhang)
Theses
German
Abtastfrequenz , Algorithmus , Dissertation , Flugsimulator , GPS (Global Positioning System) , Interpolation , Kalman-Filter , Kovarianzmatrix , Laserentfernungsmesser , Navigationssystem , Navigationsverfahren , Radarfernmessung , Raumfahrttechnik , Raumflugzeug , Regelgenauigkeit , Regelungssystementwurf , robuste Regelung , Steuerungs- und Regelungssystem , Theorie-Experiment-Vergleich , Zustandsschätzung
Robuste Schätzung und Sensorfusion zur Navigation von wiederverwendbaren Raumtransportern
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