Technologische Fortschritte im Bereich der Mikroelektrotechnik und Mikromechanik haben in den späten 80er Jahren die Entwicklung von modernen Kleinsatelliten eingeleitet. Insbesondere in der letzten Dekade haben Kleinsatelliten nicht nur in wissenschaftlichen und akademischen Missionen ihr Potential unter Beweis gestellt, sondern auch in kommerziellen und militärischen Missionen. Jedoch bleibt der Aspekt der Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz weiter ein Schlüssel für den technischen und wirtschaftlichen Fortschritt der Kleinsatelliten. In dieser Arbeit wird ein für Mikrosatelliten angepasstes Konzept für ein fehlertolerantes und robustes Lagebestimmungs- und Regelungssystem erarbeitet. Nach einer Untersuchung der modernen Methoden zur Fehlererkennung in dynamischen Systemen wurde die modellbasierte Fehlererkennung mit unterstützender Hardwareredundanz ausgewählt. Dieser Ansatz ist insbesondere für die Anwendung in Kleinsatelliten geeignet, da in diesem die Fehlererkennung nicht zwangsweise durch den Einsatz zusätzlicher Hardware, sondern durch Softwarealgorithmen realisiert wird. Ein Konzept zur hierarchischen Fehlerhandhabung, modellbasierte Algorithmen für die Fehlererkennung sowie einen neuartigen zeitoptimalen Regelalgorithmus im Zustandsraum zu verwenden, wird ebenfalls im Zusammenhang zur Fehlertoleranz und Robustheit beschrieben. Die beschriebenen Algorithmen wurden durch eine Simulation verifiziert und im dreiachsigen Lageregelungssystem des Kleinsatelliten TET-1 implementiert. Zuletzt wurde die Implementierung anhand eines Lageregelungsteststandes verifiziert. Die hierarchische Fehlerbehandlung und modellbasierte Fehlererkennung ist prinzipiell für alle Kleinsatelliten anwendbar, in der zusätzliche Hardware zur Fehlerhandhabung aus Kostengründen oder beschränktem Massen und Energiebudget nicht eingesetzt werden kann. Die zeitoptimale Zustandsregelung ermöglicht auch beim Einwirken von Messrauschen ein annährend optimales Regelverhalten. Diese Arbeit beschreibt somit eine Methodik zum Entwurf eines zuverlässigen, fehlertoleranten und robusten Lageregelungssystems für Klein-, insbesondere Mikrosatelliten.
Technical advances in microelectronics and micromechanics signalled the start of an era for small satellites in the late 1980's. Particularly in the last decade small satellites have proven their potential not only in missions with scientific and educational objectives, but also for those with cost-effective commercial and governmental purposes. Fault tolerance and reliability still remain however, a key issue for technical and economical advancement in small satellite design. This thesis therefore proposes a concept for a fault tolerant and robust attitude determination and control system adapted to micro satellites. After an investigation of modern fault handling approaches, a model based fault detection approach with hardware redundancy was chosen. This approach is particularly applicable for the use in small satellites, as the fault detection is realized not necessarily by additional hardware but by software algorithms. A hierarchical fault handling concept, a model based fault detection algorithm, and a novel time-optimal state control algorithm are all proposed. These algorithms were verified in a simulation and implemented in the three-axis attitude control system of the small satellite TET-1. Finally the concept was successfully verified in a hardware-in-the-loop test bed. The hierarchical fault handling and model based fault detection approach is also applicable for any other small satellite, for which dedicated fault handling hardware is not suitable due to cost, mass, or power limitations. The time-optimal attitude and rate control algorithm enable optimal attitude control performance in the presence of system noise. This thesis therefore provides a general methodology for the design of a reliable, fault-tolerant, and robust attitude control system for small (micro) satellites.
Robust three-axis attitude control system for micro satellites
Robustes dreiachsiges Lageregelungssystem für Mikrosatelliten
2011
120 Seiten, Bilder, Tabellen, 72 Quellen
Theses
English
Robust three-axis attitude control system for micro satellites
TIBKAT | 2011
|Three-axis magnetic attitude control algorithms for small satellites
Tema Archive | 2011
|Three Axis Attitude Control of a Micro Satellite
British Library Conference Proceedings | 1996
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