Satellitenregelung an der Universität Stuttgart

Karteikarten und Zusammenfassungen für Satellitenregelung an der Universität Stuttgart

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Welche Sensoren und welche Aktuatoren werden üblicherweise zur Regelung von RFZ benutzt?

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Welche AOCS Sensoren gibt es und was messen sie? Welche Sensoren liefern Richtungsmessungen?

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Welche Störeinflüsse wirken auf einen Satelliten im Orbit? In welchen Höhen überwiegen welche Störungen?

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Was sind Vor-/Nachteile einer 3-achsigen Stabilisierung/Regelung im Vergleich zu einer passiven/Spin-Stabilisierung?

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Was ist das besondere am Star Tracker im vergleich zu den anderen Sensoren?

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Wann wird das TRIAD Verfahren angewendet? 

Was sind die Requirements?

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Was ist "QUEST"?

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Was sind Vor- und Nachteile von Quaternionen, Karndanische System (Euler Winkel) und Richtungskosinusmatrizen?

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Wie werden die Bewegungsgleichungen eines Satelliten hergeleitet?

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Nennen Sie die klassischen Bahnelemente und deren Bedeutung. Wieviele Parameter sind es? Warum?

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 Wie viele Richtungsmessungen werden für eine 3-achsige Lagebestimmung benötigt?

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Was sind typische Genauigkeitswerte von Startrackern? Wie kommt es zu den Abweichungen bei den Richtungen?

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Satellitenregelung

Welche Sensoren und welche Aktuatoren werden üblicherweise zur Regelung von RFZ benutzt?

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

Satellitenregelung

Welche AOCS Sensoren gibt es und was messen sie? Welche Sensoren liefern Richtungsmessungen?

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



Satellitenregelung

Welche Störeinflüsse wirken auf einen Satelliten im Orbit? In welchen Höhen überwiegen welche Störungen?

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

Satellitenregelung

Was sind Vor-/Nachteile einer 3-achsigen Stabilisierung/Regelung im Vergleich zu einer passiven/Spin-Stabilisierung?

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

Satellitenregelung

Was ist das besondere am Star Tracker im vergleich zu den anderen Sensoren?

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. 

Satellitenregelung

Wann wird das TRIAD Verfahren angewendet? 

Was sind die Requirements?

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. 

Satellitenregelung

Was ist "QUEST"?

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


- QUaternion ESTimator.

- Löst das "Whaba's problem" .

- wird in Star Trackern verwendet.

Satellitenregelung

Was sind Vor- und Nachteile von Quaternionen, Karndanische System (Euler Winkel) und Richtungskosinusmatrizen?

-> 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


Satellitenregelung

Wie werden die Bewegungsgleichungen eines Satelliten hergeleitet?

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

Satellitenregelung

Nennen Sie die klassischen Bahnelemente und deren Bedeutung. Wieviele Parameter sind es? Warum?

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


Satellitenregelung

 Wie viele Richtungsmessungen werden für eine 3-achsige Lagebestimmung benötigt?

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

Satellitenregelung

Was sind typische Genauigkeitswerte von Startrackern? Wie kommt es zu den Abweichungen bei den Richtungen?

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

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