Satellitenregelung an der Universität Stuttgart

Sensoren:

Drehratensensor/Gyroscope -> Drehrate im Inertialsystem messen, Erdsensor-> Richtungsvektor Erde, Sonnensensor ->Richtungsvektor Sonne, Startracker->3D Lage des Satelliten, Magnetometer-> Richtung Erdmagnetfeld, GPS Receiver -> Position im Orbit (Phasenverscheibung zw. Empfängern -> auch Lage möglich), Beschleunigungssensoren/IMU (für Missionen mit vielen Bahnmaneuvern), Testmassen-> Störungswirkung
Aktuatoren:
Reaktionsräder (interne Drallerzeugung), Thruster, Magnetorquer -> aktiv

passiv: Spin, Gravitationsgradient, Aerodynamik

Drehratensensoren (Gyroscopes) -> messen Drehrate des Staelliten gegenüber Inertialsystem

GPS-Receiver -> misst Position (mit Zeitstempel) des Satelliten im Orbit
Beschleunigungssensoren -> Beschleunigung des Satelliten
Testmassen -> Störungseinwirkungen auf den Satelliten (Drag-Free Control)

Startracker -> misst 3D Lage im Raum

Richtungsmessungen:

Erdsensor -> Richtungsvektor zur Erde

Sonnensensor -> Richtungsvektor zur Sonne
Magnetometer -> Richtung des Erdmagnetfelds

 aerodynamischer Widerstand durch Restatmosphäre - > niedrige Orbits ~ 200km
Gravitationsgradienten -> SSO, 800-900km /GEO
Magnetisches Moment
Solarer Strahlungsdruck -> GEO
Störungen von Drittkörpern -> nur GEO relevant

3-achsig:
+ schnell/agil
+ hohe Genauigkeit

+ Performance

+ hohe Stabilität

- kompliziert

- teuer

- hohe Masse

- geringere Zuverlässigkeit

- Power

passiv/Spin:
+ Zuverlässigkeit

+ geringe Kosten

+ geringe Masse

+Power

- niedrige Performance

- nicht agil

Der Star Tracker misst intern die Richtung mehrerer Sterne. Dadurch kann er direkt eine 3 dimensionale Lage bestimmen. Die anderen Sensoren hingegen können nur eine Richtung bestimmen. 

Für das TRIAD Verfahren eignet sich genau dann zur Lagebestimmung, wenn 2 Messungen in 2 Koordinatensystemen vorliegen. 

Als Beispiel: Suntracker und Earthtracker Messung, die sowohl im inertial frame, wie auch im s/c body frame vorliegen. 

Als Resultat des TRIAD verfahren wird eine Transformationsmatrix erstellt, die in Form einer Richtungs-Cosinus-Matrix vorliegt und die Lage des s/c beschreibt. 

Quest ist ein Algorithmus zur 3D Lagebestimmung anhand mehrerer Vektormessungen. 

- QUaternion ESTimator.

- Löst das "Whaba's problem" .

- wird in Star Trackern verwendet.

-> zur Beschreibung der Satellitenlage im Inertialsystem

Richtungskosinusmatrizen:
- 9 Gleichungen mit RB müssen integriert werden
- mit der Zeit werden die RBs nichtmehr erfüllt (numerische Integration)-> Sensorfehler, viele Fehler induziert
Kardanisch:
- sin/cos benötigt viel Rechenzeit bzw. Funktionen
- Singularität bei Drehung um Nickwinkel ab 90°

Quaternionen:

+ weniger Gleichungen (4), die integriert werden -> schneller
+ nur eine RB -> EInheitslänge!
+ keine zeitaufwendigen Funktionen müssen gelöst werden

1. Kinematik eines Massenelements (im Satelliten) herleiten
2. Impulsgleichung aufstellen (Newton)
3. Drallgleichung aufstellen (Euler)
4. Translations-/Rotationsdynamik Gleichungen aufstellen
     -> Trägheitsmomente, Drall des RWs

     -> Annahmen: RW rotiert um Hauptträgheitsachse, Rad ist       

         starrer Körper
     -> erhält Gleichungen, die angreifende Kräfte und Momente 

         auf den Satelliten beschreiben

6 Parameter:

a = Große Halbachse
e = Exzentrizität

i = inklination

Omega = Rektaszension des aufsteigenden Knotens

omega = argument des Perigäums

nue/theta = whare Anomalie
-> 6 Gleichungen mit 6 Unbekannten

2 Richtungsmessungen -> in 2 verschiedenen KOS bekannt (Bsp. Inertial- + Körpersystem)

Standardabweichungen:

-> cross-boresight (x,y) ~ 1 Bogensekunde
-> boresight (z, Blickrichtung) ~ 6 Bogensekunden
=> Fehlerellipsoid

-> resultiert aus der Pointing-Ungenauigkeit bei der z-Richtung für den Sensor -> höheres Pointing in x,y erreichbar