TY  - THES
A1  - Wojtkowiak, Harald
T1  - Planungssystem zur Steigerung der Autonomie von Kleinstsatelliten
T1  - Planningsystem to increase the autonomy of small satellites
N2  - Der Betrieb von Satelliten wird sich in Zukunft gravierend ändern. Die bisher ausgeübte konventionelle Vorgehensweise, bei der die Planung der vom Satelliten auszuführenden Aktivitäten sowie die Kontrolle hierüber ausschließlich vom Boden aus erfolgen, stößt bei heutigen Anwendungen an ihre Grenzen. Im schlimmsten Fall verhindert dieser Umstand sogar die Erschließung bisher ungenutzter Möglichkeiten. Der Gewinn eines Satelliten, sei es in Form wissenschaftlicher Daten oder der Vermarktung satellitengestützter Dienste, wird daher nicht optimal ausgeschöpft. 
Die Ursache für dieses Problem lässt sich im Grunde auf eine ausschlaggebende Tatsache zurückführen: Konventionelle Satelliten können ihr Verhalten, d.h. die Folge ihrer Tätigkeiten, nicht eigenständig anpassen. Stattdessen erstellt das Bedienpersonal am Boden - vor allem die  Operatoren - mit Hilfe von Planungssoftware feste Ablaufpläne, die dann in Form von Kommandosequenzen von den Bodenstationen aus an die jeweiligen Satelliten hochgeladen werden. Dort werden die Befehle lediglich überprüft, interpretiert und strikt ausgeführt. Die Abarbeitung erfolgt linear. Situationsbedingte Änderungen, wie sie vergleichsweise bei der Codeausführung von Softwareprogrammen durch Kontrollkonstrukte, zum Beispiel Schleifen und Verzweigungen, üblich sind, sind typischerweise nicht vorgesehen. Der Operator ist daher die einzige Instanz, die das Verhalten des Satelliten mittels Kommandierung, per Upload, beeinflussen kann, und auch nur dann, wenn ein direkter Funkkontakt zwischen Satellit und Bodenstation besteht. Die dadurch möglichen Reaktionszeiten des Satelliten liegen bestenfalls bei einigen Sekunden, falls er sich im Wirkungsbereich der Bodenstation befindet. Außerhalb des Kontaktfensters kann sich die Zeitschranke, gegeben durch den Orbit und die aktuelle Position des Satelliten, von einigen Minuten  bis hin zu einigen Stunden erstrecken. Die Signallaufzeiten der Funkübertragung verlängern die Reaktionszeiten um weitere Sekunden im erdnahen Bereich. Im interplanetaren Raum erstrecken sich die Zeitspannen aufgrund der immensen Entfernungen sogar auf mehrere Minuten. Dadurch bedingt liegt die derzeit technologisch mögliche, bodengestützte, Reaktionszeit von Satelliten bestenfalls im Bereich von einigen Sekunden.
Diese Einschränkung stellt ein schweres Hindernis für neuartige Satellitenmissionen, bei denen insbesondere nichtdeterministische und kurzzeitige Phänomene (z.B. Blitze und Meteoreintritte in die Erdatmosphäre) Gegenstand der Beobachtungen sind, dar. Die langen Reaktionszeiten des konventionellen Satellitenbetriebs verhindern die Realisierung solcher Missionen, da die verzögerte Reaktion erst erfolgt, nachdem das zu beobachtende Ereignis bereits abgeschlossen ist.
Die vorliegende Dissertation zeigt eine Möglichkeit, das durch die langen Reaktionszeiten entstandene Problem zu lösen, auf. Im Zentrum des Lösungsansatzes steht dabei die Autonomie. Im Wesentlichen geht es dabei darum, den Satelliten mit der Fähigkeit auszustatten, sein Verhalten, d.h. die Folge seiner Tätigkeiten, eigenständig zu bestimmen bzw. zu ändern. Dadurch wird die direkte Abhängigkeit des Satelliten vom Operator bei Reaktionen aufgehoben. Im Grunde wird der Satellit in die Lage versetzt, sich selbst zu kommandieren.
Die Idee der Autonomie wurde im Rahmen der zugrunde liegenden Forschungsarbeiten umgesetzt. Das Ergebnis ist ein autonomes Planungssystem. Dabei handelt es sich um ein Softwaresystem, mit dem sich autonomes Verhalten im Satelliten realisieren lässt. Es kann an unterschiedliche Satellitenmissionen angepasst werden. Ferner deckt es verschiedene Aspekte des autonomen Satellitenbetriebs, angefangen bei der generellen Entscheidungsfindung der Tätigkeiten, über die zeitliche Ablaufplanung unter Einbeziehung von Randbedingungen (z.B. Ressourcen) bis hin zur eigentlichen Ausführung, d.h. Kommandierung, ab. Das Planungssystem kommt als Anwendung in ASAP, einer autonomen Sensorplattform, zum Einsatz. Es ist ein optisches System und dient der Detektion von kurzzeitigen Phänomenen und Ereignissen in der Erdatmosphäre. 
Die Forschungsarbeiten an dem autonomen Planungssystem, an ASAP sowie an anderen zu diesen in Bezug stehenden Systemen wurden an der Professur für Raumfahrttechnik des Lehrstuhls Informatik VIII der Julius-Maximilians-Universität Würzburg durchgeführt.
N2  - Satellite operation will change thoroughly in future. So far the currently performed conventional approach of controlling satellites is hitting its limitation by todays application. This is due to the fact that activities of the satellite are planned and controlled exclusively by ground infrastructure. In the worst case this circumstance prevents the exploitation of potential but so far unused opportunities. Thus the yield of satellites, may it be in the form of scientific research data or the commercialization of satellite services, is not optimized.  
After all the cause of this problem can be tracked back to one crucial matter: Conventional satellites are not able to alter their behaviour, i.e. the order of their actions, themselves. Instead schedules are created by ground staff – mainly operators - utilizing specialized planning software. The output is then transformed into command sequences and uploaded to the dedicated satellite via ground stations. On-board the commands are solely checked, interpreted and strictly executed. The flow is linear. Situational changes, like in the code execution of software programs via control constructs, e.g. loops and branches, are typically not present. Thus the operator is the only instance which is able to change the behaviour of the satellite via command upload. Therefore a direct radio link between satellite and ground station is required. Reaction times are hereby restricted. In the best case, means when the satellite is inside the area of effect, the limitations are to a few seconds. Outside the contact window, the time bound may increase from minutes to hours. The exact timing are dependant from the orbit of the satellite and its position on it. The signal flow of the radio links adds additional reaction time from a few seconds in near earth up to some minutes in interplanetary space due to the vast distances. In sum the best achievable ground based reaction time lies in the area of some seconds.
This restriction is a severe handicap for novel satellite missions with focus on non-deterministic and short-time phenomena, e.g. lightning and meteor entries into Earth atmosphere. The long reaction times of conventional satellite operations prevent the realization of such missions. This is due to the fact that delayed reactions take place after the event to observe has finished.
This dissertation shows a possibility to solve the problem caused by long reaction times. Autonomy lies in the centre of the main approach. The key is to augment the satellite with the ability to alter its behaviour, i.e. the sequence of its actions, and to deliberate about it. Thus, the direct reaction dependency of the satellite from operators will be lifted. In principle the satellite will be able to command itself.
The herein idea of autonomy is based on research work, which provides the context for design and implementation. The output is an autonomous planning system. It’s a software system which enables a satellite to behave autonomously and can be adapted to different types of satellite missions. Additionally, it covers different aspects of autonomous satellite operation, starting with general decision making of activities, going over to time scheduling inclusive constraint consideration, e.g. resources, and finishing at last with the actual execution, i.e. commanding. The autonomous planning system runs as one application of ASAP, an autonomous sensor platform. It is an optical system with the purpose to detect short-time phenomena and events in Earth atmosphere. 
The research work for the autonomous planning system, for ASAP and for other related systems has been executed at the professorship for space technology which is part of the department for computer science VIII at the Julius-Maximilians-Universität Würzburg.
KW  - Planungssystem
KW  - Autonomie
KW  - Satellit
KW  - Entscheidungsfindung
KW  - Ablaufplanung
KW  - Planausführung
KW  - System
KW  - Missionsbetrieb
KW  - decission finding
KW  - scheduling
KW  - plan execution
KW  - system
KW  - mission operation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163569
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Reitemeyer, Malte
A1  - Weinmann, Felix
T1  - Detection of UAP with a Nano Satellite
T1  - Detektion von UAP mit einem Nanosatelliten
BT  - A feasibility study
N2  - Continued reports over the past decades of unknown aerial phenomena (short UAP) have given high relevance to the investigation and research of these. Especially reports by US Navy pilots and official investigations by the US Office of the director of national intelligence have emphasized the value of such efforts. Due to the inherently limited scope of earth based observations, a satellite based instrument for detection of such phenomena may prove especially useful. This paper as such investigates the possible viability of such an instrument on a nano satellite mission.
T3  - Research on Unidentified Aerial Phenomena - 1 
KW  - Satellit
KW  - UFO
KW  - Forschungssatellit
KW  - Kleinsatellit
KW  - Erderkundungssatellit
KW  - UAP
KW  - Nano-Satellite
KW  - Nanosatellit
KW  - UAP
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261391
ER  - 
TY  - THES
A1  - Philipp, Marius Balthasar
T1  - Quantifying the Effects of Permafrost Degradation in Arctic Coastal Environments via Satellite Earth Observation
T1  - Quantifizierung der Effekte von Permafrost Degradation in Arktischen Küstenregionen mittels Satelliten-gestützter Erdbeobachtung
N2  - Permafrost degradation is observed all over the world as a consequence of climate change and the associated Arctic amplification, which has severe implications for the environment. Landslides, increased rates of surface deformation, rising likelihood of infrastructure damage, amplified coastal erosion rates, and the potential turnover of permafrost from a carbon sink to a carbon source are thereby exemplary implications linked to the thawing of frozen ground material. In this context, satellite earth observation is a potent tool for the identification and continuous monitoring of relevant processes and features on a cheap, long-term, spatially explicit, and operational basis as well as up to a circumpolar scale. 
A total of 325 articles published in 30 different international journals during the past two decades were investigated on the basis of studied environmental foci, remote sensing platforms, sensor combinations, applied spatio-temporal resolutions, and study locations in an extensive review on past achievements, current trends, as well as future potentials and challenges of satellite earth observation for permafrost related analyses. The development of analysed environmental subjects, utilized sensors and platforms, and the number of annually published articles over time are addressed in detail. Studies linked to atmospheric features and processes, such as the release of greenhouse gas emissions, appear to be strongly under-represented. Investigations on the spatial distribution of study locations revealed distinct study clusters across the Arctic. At the same time, large sections of the continuous permafrost domain are only poorly covered and remain to be investigated in detail. A general trend towards increasing attention in satellite earth observation of permafrost and related processes and features was observed. The overall amount of published articles hereby more than doubled since the year 2015. New sources of satellite data, such as the Sentinel satellites and the Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), as well as novel methodological approaches, such as data fusion and deep learning, will thereby likely improve our understanding of the thermal state and distribution of permafrost, and the effects of its degradation. Furthermore, cloud-based big data processing platforms (e.g. Google Earth Engine (GEE)) will further enable sophisticated and long-term analyses on increasingly larger scales and at high spatial resolutions. 
In this thesis, a specific focus was put on Arctic permafrost coasts, which feature increasing vulnerability to environmental parameters, such as the thawing of frozen ground, and are therefore associated with amplified erosion rates. In particular, a novel monitoring framework for quantifying Arctic coastal erosion rates within the permafrost domain at high spatial resolution and on a circum-Arctic scale is presented within this thesis. Challenging illumination conditions and frequent cloud cover restrict the applicability of optical satellite imagery in Arctic regions. In order to overcome these limitations, Synthetic Aperture RADAR (SAR) data derived from Sentinel-1 (S1), which is largely independent from sun illumination and weather conditions, was utilized. Annual SAR composites covering the months June–September were combined with a Deep Learning (DL) framework and a Change Vector Analysis (CVA) approach to generate both a high-quality and circum-Arctic coastline product as well as a coastal change product that highlights areas of erosion and build-up. Annual composites in the form of standard deviation (sd) and median backscatter were computed and used as inputs for both the DL framework and the CVA coastal change quantification. The final DL-based coastline product covered a total of 161,600 km of Arctic coastline and featured a median accuracy of ±6.3 m to the manually digitized reference data. Annual coastal change quantification between 2017–2021 indicated erosion rates of up to 67 m per year for some areas based on 400 m coastal segments. In total, 12.24% of the investigated coastline featured an average erosion rate of 3.8 m per year, which corresponds to 17.83 km2 of annually eroded land area. Multiple quality layers associated to both products, the generated DL-coastline and the coastal change rates, are provided on a pixel basis to further assess the accuracy and applicability of the proposed data, methods, and products. 
Lastly, the extracted circum-Arctic erosion rates were utilized as a basis in an experimental framework for estimating the amount of permafrost and carbon loss as a result of eroding permafrost coastlines. Information on permafrost fraction, Active Layer Thickness (ALT), soil carbon content, and surface elevation were thereby combined with the aforementioned erosion rates. While the proposed experimental framework provides a valuable outline for quantifying the volume loss of frozen ground and carbon release, extensive validation of the utilized environmental products and resulting volume loss numbers based on 200 m segments are necessary. Furthermore, data of higher spatial resolution and information of carbon content for deeper soil depths are required for more accurate estimates.
N2  - Als Folge des Klimawandels und der damit verbundenen „Arctic Amplification“ wird weltweit eine Degradation des Dauerfrostbodens (Permafrost) beobachtet, welche schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat. Erdrutsche, erhöhte Oberflächen- verformungsraten, eine zunehmende Wahrscheinlichkeit von Infrastrukturschäden, verstärkte Küstenerosionsraten und die potenzielle Umwandlung von Permafrost von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle sind dabei beispielhafte Auswirkun- gen im Zusammenhang mit dem Auftauen von gefrorenem Bodenmaterial. In diesem Kontext ist die Satelliten-gestützte Erdbeobachtung ein wirkmächtiges Werkzeug zur Identifizierung und kontinuierlichen Überwachung relevanter Prozesse und Merkmale auf einer kostengünstigen, langfristigen, räumlich expliziten und operativen Basis und auf einem zirkumpolaren Maßstab. 
Insgesamt 325 Artikel, die in den letzten zwei Jahrzehnten in 30 verschiedenen internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden, wurden auf Basis der adressierten Umweltschwerpunkte, Fernerkundungsplattformen, Sensorkombinationen, angewand- ten raum-zeitlichen Auflösungen und den Studienorten in einem umfassenden Überblick über vergangene Errungenschaften und aktuelle Trends untersucht. Zusätzlich wur- den zukünftige Potenziale und Herausforderungen der Satelliten-Erdbeobachtung für Permafrost-bezogene Analysen diskutiert. Auf die zeitliche Entwicklung der un- tersuchten Umweltthemen, eingesetzten Sensoren und Satelliten-Plattformen sowie die Zahl der jährlich erscheinenden Artikel wurde detailliert eingegangen. Studien zu atmosphärischen Eigenschaften und Prozessen, wie etwa der Freisetzung von Treibhaus- gasemissionen, waren stark unterrepräsentiert. Deutliche geografische Schlüssel-Gebiete, auf welche sich der Großteil der Studien konzentrierte, konnten in Untersuchungen zur räumlichen Verteilung der Studienorte identifiziert werden. Gleichzeitig sind große Teile des kontinuierlichen Permafrost-Gebiets nur spärlich abgedeckt und müssen noch im Detail untersucht werden. Es wurde ein allgemeiner Trend zu einer zunehmenden Aufmerksamkeit bezüglich der Satelliten-gestützten Erdbeobachtung von Permafrost und verwandten Prozessen und Merkmalen beobachtet. Die Gesamtzahl der veröf- fentlichten Artikel hat sich dabei seit dem Jahr 2015 mehr als verdoppelt. Neue Quellen für Satellitendaten, wie beispielweise die Sentinel-Satelliten und die Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), sowie neuartige methodische Ansätze, wie Datenfusion und Deep Learning, werden dabei voraussichtlich unser Verständnis bzgl. des thermischen Zustands und der Verteilung von Permafrost-Vorkommen sowie die Auswirkungen seines Auftauens verbessern. Darüber hinaus werden Cloud-basierte Big-Data-Verarbeitungsplattformen (z.B. Google Earth Engine (GEE)) anspruchsvolle und langfristige Analysen in immer größeren Maßstäben und mit hoher räumlicher Auflösung erleichtern. 
In dieser Arbeit wurde ein besonderer Fokus auf arktische Permafrost-Küsten gelegt, die eine zunehmende Vulnerabilität gegenüber Umweltparametern wie dem Auftauen von gefrorenem Boden aufweisen und daher von verstärkten Erosionsraten betroffen sind. Ein neuartiger Ansatz zur Quantifizierung der arktischen Küstene- rosion innerhalb des Permafrost-Gebiets mit hoher räumlicher Auflösung und auf zirkum-arktischem Maßstab wird in dieser Dissertation präsentiert. Schwierige Be- leuchtungsbedingungen und häufige Bewölkung schränken die Anwendbarkeit optischer Satellitenbilder in arktischen Regionen ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden Synthetic Aperture RADAR (SAR) Daten von Sentinel-1 (S1) verwendet, die weitgehend unabhängig von Sonneneinstrahlung und Wetterbedingungen sind. Jährli- che SAR-Komposite, welche die Monate Juni bis September abdecken, wurden mit einem Deep Learning (DL)-Ansatz und einer Change Vector Analysis (CVA)-Methode kombiniert, um sowohl ein qualitativ hochwertiges und zirkum-arktisches Küstenli- nienprodukt als auch ein Produkt für die Änderungsraten (Erosion und küstennahe Aggregation von Sedimenten) der Küste zu generieren. Jährliche Satelliten-Komposite in Form von der Standardabweichung (sd) und des Medians der SAR Rückstreuung wurden hierbei berechnet und als Eingabedaten sowohl für den DL-Ansatz als auch für die Quantifizierung der CVA-basierten Küstenänderung verwendet. Das endgül- tige DL-basierte Küstenlinienprodukt deckt insgesamt 161.600 km der arktischen Küstenlinie ab und wies eine Median-Abweichung von ±6,3 m gegenüber den ma- nuell digitalisierten Referenzdaten auf. Im Zuge der Quantifizierung von jährlichen Küstenveränderungen zwischen 2017 und 2021 konnten Erosionsraten von bis zu 67 m pro Jahr und basierend auf 400 m Küstenabschnitten identifiziert werden. Insgesamt wiesen 12,24% der untersuchten Küstenlinie eine durchschnittliche Erosionsrate von 3,8 m pro Jahr auf, was einer jährlichen erodierten Landfläche von 17,83 km2 entspricht. Mehrere Qualitäts-Datensätze, die beiden Produkten zugeordnet sind, wurden auf Pixelbasis bereitgestellt, um die Genauigkeit und Anwendbarkeit der präsentierten Daten, Methoden und Produkte weiter einordnen zu können. 
Darüber hinaus wurden die extrahierten zirkum-arktischen Erosionsraten als Grund- lage in einem experimentellen Ansatz verwendet, um die Menge an Permafrost-Verlust und Kohlenstofffreistzung als Konsequenz der erodierten Permafrost-Küsten abzu- schätzen. Dabei wurden Informationen zu Permafrost-Anteil, Active Layer Thickness (ALT), Höhenmodellen und der Menge an im Boden gespeichertem Kohlenstoff mit den oben genannten Erosionsraten kombiniert. Während der präsentierte experimentelle Ansatz einen wertvollen Ausgangspunkt für die Quantifizierung des Volumenverlusts von gefrorenem Boden und der Kohlenstofffreisetzung darstellt, ist eine umfassende Validierung der verwendeten Umweltprodukte und der resultierenden Volumenzah- len erforderlich. Zusätzlich werden für genauere Abschätzungen Daten mit höherer räumlicher Auflösung und Informationen zum Kohlenstoffgehalt für tiefere Bodentiefen benötigt.
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Synthetische Apertur
KW  - Deep learning
KW  - Erosion
KW  - Satellit
KW  - Synthetic Aperture RADAR
KW  - Circumpolar
KW  - Arctic
KW  - Permafrost
KW  - Satellite Earth Observation
KW  - Change Vector Analysis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-345634
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fritsch, Sebastian
T1  - Spatial and temporal patterns of crop yield and marginal land in the Aral Sea Basin: derivation by combining multi-scale and multi-temporal remote sensing data with alight use efficiency model
T1  - Räumliche und zeitliche Muster von Erntemengen und marginalem Land im Aralseebecken: Erfassung durch die Kombination von multiskaligen und multitemporalen Fernerkundungsdaten mit einem Lichtnutzungseffizienzmodell
N2  - Irrigated agriculture in the Khorezm region in the arid inner Aral Sea Basin faces enormous challenges due to a legacy of cotton monoculture and non-sustainable water use. Regional crop growth monitoring and yield estimation continuously gain in importance, especially with regard to climate change and food security issues. Remote sensing is the ideal tool for regional-scale analysis, especially in regions where ground-truth data collection is difficult and data availability is scarce. New satellite systems promise higher spatial and temporal resolutions. So-called light use efficiency (LUE) models are based on the fraction of photosynthetic active radiation absorbed by vegetation (FPAR), a biophysical parameter that can be derived from satellite measurements. The general objective of this thesis was to use satellite data, in conjunction with an adapted LUE model, for inferring crop yield of cotton and rice at field (6.5 m) and regional (250 m) scale for multiple years (2003-2009), in order to assess crop yield variations in the study area. Intensive field measurements of FPAR were conducted in the Khorezm region during the growing season 2009. RapidEye imagery was acquired approximately bi-weekly during this time. The normalized difference vegetation index (NDVI) was calculated for all images. Linear regression between image-based NDVI and field-based FPAR was conducted. The analyses resulted in high correlations, and the resulting regression equations were used to generate time series of FPAR at the RapidEye level. RapidEye-based FPAR was subsequently aggregated to the MODIS scale and used to validate the existing MODIS FPAR product. This step was carried out to evaluate the applicability of MODIS FPAR for regional vegetation monitoring. The validation revealed that the MODIS product generally overestimates RapidEye FPAR by about 6 to 15 %. Mixture of crop types was found to be a problem at the 1 km scale, but less severe at the 250 m scale. Consequently, high resolution FPAR was used to calibrate 8-day, 250 m MODIS NDVI data, this time by linear regression of RapidEye-based FPAR against MODIS-based NDVI. The established FPAR datasets, for both RapidEye and MODIS, were subsequently assimilated into a LUE model as the driving variable. This model operated at both satellite scales, and both required an estimation of further parameters like the photosynthetic active radiation (PAR) or the actual light use efficiency (LUEact). The latter is influenced by crop stress factors like temperature or water stress, which were taken account of in the model. Water stress was especially important, and calculated via the ratio of the actual (ETact) to the potential, crop-specific evapotranspiration (ETc). Results showed that water stress typically occurred between the beginning of May and mid-September and beginning of May and end of July for cotton and rice crops, respectively. The mean water stress showed only minor differences between years. Exceptions occurred in 2008 and 2009, where the mean water stress was higher and lower, respectively. In 2008, this was likely caused by generally reduced water availability in the whole region. Model estimations were evaluated using field-based harvest information (RapidEye) and statistical information at district level (MODIS). The results showed that the model at both the RapidEye and the MODIS scale can estimate regional crop yield with acceptable accuracy. The RMSE for the RapidEye scale amounted to 29.1 % for cotton and 30.4 % for rice, respectively. At the MODIS scale, depending on the year and evaluated at Oblast level, the RMSE ranged from 10.5 % to 23.8 % for cotton and from -0.4 % to -19.4 % for rice. Altogether, the RapidEye scale model slightly underestimated cotton (bias = 0.22) and rice yield (bias = 0.11). The MODIS-scale model, on the other hand, also underestimated official rice yield (bias from 0.01 to 0.87), but overestimated official cotton yield (bias from -0.28 to -0.6). Evaluation of the MODIS scale revealed that predictions were very accurate for some districts, but less for others. The produced crop yield maps indicated that crop yield generally decreases with distance to the river. The lowest yields can be found in the southern districts, close to the desert. From a temporal point of view, there were areas characterized by low crop yields over the span of the seven years investigated. The study at hand showed that light use efficiency-based modeling, based on remote sensing data, is a viable way for regional crop yield prediction. The found accuracies were good within the boundaries of related research. From a methodological viewpoint, the work carried out made several improvements to the existing LUE models reported in the literature, e.g. the calibration of FPAR for the study region using in situ and high resolution RapidEye imagery and the incorporation of crop-specific water stress in the calculation.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung regionaler Erntemengen von Baumwolle und Reis in der usbekischen Region Khorezm, einem Bewässerungsgebiet das geprägt ist von langjähriger Baumwoll-Monokultur und nicht-nachhaltiger Land- und Wassernutzung. Basis für die Methodik waren Satellitendaten, die durch ihre großflächige Abdeckung und Objektivität einen enormen Vorteil in solch datenarmen und schwer zugänglichen Regionen darstellen. Bei dem verwendeten Modell handelt es sich um ein sog. Lichtnutzungseffizienz-Modell (im Englischen Light Use Efficiency [LUE] Model), das auf dem Anteil der photosynthetisch aktiven Strahlung basiert, welcher von Pflanzen für das Wachstum aufgenommen wird (Fraction of Photosynthetic Active Radiation, FPAR). Dieser Parameter kann aus Satellitendaten abgeleitet werden. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit war die Nutzung von Satellitendaten für die Ableitung der Erntemengen von Baumwolle und Reis. Dazu wurde ein Modell entwickelt, das sowohl auf der Feldebene (Auflösung von 6,5 m) als auch auf der regionalen Ebene (Auflösung von 250 m) operieren kann. Während die Ableitung der Erntemengen auf der Feldebene nur für ein Jahr erfolgte (2009), wurden sie auf der regionalen Ebene für den Zeitraum 2003 bis 2009 modelliert. Intensive Feldmessungen von FPAR wurden im Studiengebiet während der Wachstumssaison 2009 durchgeführt. Parallel dazu wurden RapidEye-Daten in ca. zweiwöchentlichem Abstand aufgezeichnet. Aus den RapidEye-Daten wurde der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) berechnet, der anschließend mit den im Feld gemessenen FPAR-Werten korreliert wurde. Die entstandenen Regressionsgleichungen wurden benutzt um Zeitserien von FPAR auf RapidEye-Niveau zu erstellen. Anschließend wurden diese Zeitserien auf die MODIS-Skala aggregiert um damit das MODIS FPAR-Produkt zu validieren (1 km), bzw. eine Kalibrierung des 8-tägigen 250 m NDVI-Datensatzes vorzunehmen. Der erste Schritt zeigte dass das MODIS-Produkt im Allgemeinen die RapidEye-basierten FPAR-Werte um 6 bis 15 % überschätzt. Aufgrund der besseren Auflösung wurde das kalibrierte 250 m FPAR-Produkt für die weitere Modellierung verwendet. Für die eigentliche Modellierung wurden neben den FPAR-Eingangsdaten noch weitere Daten und Parameter benötigt. Dazu gehörte z.B. die tatsächliche Lichtnutzungseffizienz (LUEact), welche von Temperatur- und Wasserstress beeinflusst wird. Wasserstress wurde berechnet aus dem Verhältnis von tatsächlicher (ETact) zu potentieller, feldfruchtspezifischer Evapotranspiration (ETc), die beide aus einer Kombination von Satelliten- und Wetterdaten abgeleitet wurden. Der durchschnittliche Wasserstress schwankte nur geringfügig von Jahr zu Jahr, mit Ausnahmen in den Jahren 2008 und 2009. Die Modellschätzungen wurden durch feldbasierte Ernteinformationen (RapidEye-Ebene) sowie regionale statistische Daten (MODIS-Ebene) evaluiert. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Modellskalen regionale Ernteerträge mit guter Genauigkeit nachbilden können. Der Fehler für das RapidEye-basierte Modell betrug 29,1 % für Baumwolle und 30,4 % für Reis. Die Genauigkeiten für das MODIS-basierte Modell variierten, in Abhängigkeit des betrachteten Jahres, zwischen 10,5 % und 23,8 % für Baumwolle und zwischen -0,4 % und -19,4 % für Reis. Insgesamt gab es eine leichte Unterschätzung der Baumwoll- (Bias = 0,22) und Reisernte (Bias = 0,11) seitens des RapidEye-Modells. Das MODIS-Modell hingegen unterschätzte zwar auch die (offizielle) Reisernte (mit einem Bias zwischen 0,01 und 0,87), überschätzte jedoch die offiziellen Erntemengen für die Baumwolle (Bias zwischen -0,28 und -0,6). Die Evaluierung der MODIS-Skala zeigte dass die Genauigkeiten extrem zwischen den verschiedenen Distrikten schwankten. Die erstellten Erntekarten zeigten dass Erntemengen grundsätzlich mit der Distanz zum Fluss abnehmen. Die niedrigsten Erntemengen traten in den südlichsten Distrikten auf, in der Nähe der Wüste. Betrachtet man die Ergebnisse schließlich über die Zeit hinweg, gab es Gebiete die über den gesamten Zeitraum von sieben Jahren stets von niedrigen Erntemengen gekennzeichnet waren. Die vorliegende Studie zeigt, dass satellitenbasierte Lichtnutzungseffizienzmodelle ein geeignetes Werkzeug für die Ableitung und die Analyse regionaler Erntemengen in zentralasiatischen Bewässerungsregionen darstellen. Verglichen mit verwandten Studien stellten sich die ermittelten Genauigkeiten sowohl auf der RapidEye- als auch auf der MODIS-Skala als gut dar. Vom methodischen Standpunkt aus gesehen ergänzte diese Arbeit vorhanden LUE-Modelle um einige Neuerungen und Verbesserungen, wie z.B. die Validierung und Kalibrierung von FPAR für die Studienregion mittels Feld- und hochaufgelösten RapidEye-Daten und dem Einbezug von feldfrucht-spezifischem Wasserstress in die Modellierung.
KW  - Fernerkundung
KW  - Modellierung
KW  - Ernte
KW  - Baumwollpflanze
KW  - Reis
KW  - Satellit
KW  - Erdbeobachtung
KW  - remote sensing
KW  - crop yield
KW  - modeling
KW  - light use efficiency
KW  - irrigation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87939
ER  - 
TY  - THES
A1  - Flederer, Frank
T1  - CORFU - An Extended Model-Driven Framework for Small Satellite Software with Code Feedback
T1  - CORFU - Ein erweitertes modellgetriebenes Framework für Satellitensoftware mit Code-Rückinformation
N2  - Corfu is a framework for satellite software, not only for the onboard part but also for the ground. Developing software with Corfu follows an iterative model-driven approach. The basis of the process is an engineering model. Engineers formally describe the basic structure of the onboard software in configuration files, which build the engineering model. In the first step, Corfu verifies the model at different levels. Not only syntactically and semantically but also on a higher level such as the scheduling.
Based on the model, Corfu generates a software scaffold, which follows an application-centric approach. Software images onboard consist of a list of applications connected through communication channels called topics. Corfu’s generic and generated code covers this fundamental communication, telecommand, and telemetry handling. All users have to do is inheriting from a generated class and implement the behavior in overridden methods. For each application, the generator creates an abstract class with pure virtual methods. Those methods are callback functions, e.g., for handling telecommands or executing code in threads.
However, from the model, one can not foresee the software implementation by users. Therefore, as an innovation compared to other frameworks, Corfu introduces feedback from the user code back to the model. In this way, we extend the engineering model with information about functions/methods, their invocations, their stack usage, and information about events and telemetry emission. Indeed, it would be possible to add further information extraction for additional use cases. We extract the information in two ways: assembly and source code analysis. The assembly analysis collects information about the stack usage of functions and methods.
On the one side, Corfu uses the gathered information to accomplished additional verification steps, e.g., checking if stack usages exceed stack sizes of threads. On the other side, we use the gathered information to improve the performance of onboard software. In a use case, we show how the compiled binary and bandwidth towards the ground is reducible by exploiting source code information at run-time.
N2  - Corfu ist ein Framework für Satelliten-Software für beide Seiten: Space und Boden. Mit Corfu folgt die Softwareentwicklung einem iterativen modellgetriebenen Ansatz. Grundlage der Software-Entwicklung ist ein technisches Modell, das formell die grundlegende Struktur der Onboard-Software beschreibt. EntwicklerInnen beschreiben dieses Modell in Konfigurationsdateien, die von Corfu in verschiedenen Aspekten automatisch verifiziert werden, z.B. im Bereich des Scheduling.
Anhand des definierten Modells erstellt Corfu ein Quellcode-Gerüst. Die Onboard-Software ist in einzelne Applikationen aufgeteilt, die durch Kommunikationskanäle miteinander kommunizieren (Topics genannt). Generischer Code und der generierte Code implementieren bereits die Behandlung und Verwaltung der Topic-Kommunikation, Telekommandos, Telemetrie und Threads. Der generierte Code definiert pur-virtuelle Callback-Methoden, die BenutzerInnen in erbenden Klassen implementieren.
Das vordefinierte Modell kann allerdings nicht alle Implementierungsdetails der BenutzerInnen enthalten. Daher führt Corfu als Neuerung ein Code-Feedback ein. Hierbei werden anhand von statischer Analyse Informationen aus dem BenutzerInnen-Quellcode extrahiert und in einem zusätzlichen Modell gespeichert. Dieses extrahierte Modell enthält u.a. Informationen zu Funktionsaufrufen, Anomalien, Events und Stackspeicherverbrauch von Funktionen. Corfu extrahiert diese Informationen durch Quellcode- und Assembler-Analyse. Das extrahierte Modell erweitert das vordefinierte Modell, da es Elemente aus dem vordefinierten Modell referenziert.
Auf der einen Seite nutzt Corfu die gesammelten Informationen, um weitere Verifikationsschritte durchführen zu können, z.B. Überprüfen der Stack-Größen von Threads. Auf der anderen Seite kann die Nutzung von Quellcode-Informationen auch die Leistung verbessern. In einem Anwendungsfall zeigen wir, wie die Größe des kompilierten Programms sowie die genutzte Bandbreite für die Übertragung von Log-Event-Nachrichten durch das erweiterte Modell verringert werden kann.
T3  - Research in Aerospace Information Technology - 2 
KW  - FRAMEWORK <Programm>
KW  - Modellgetriebene Entwicklung
KW  - Statische Analyse
KW  - Satellit
KW  - Telemetrie
KW  - Onboard Software
KW  - Source Code Generation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-249817
ER  - 
TY  - THES
A1  - Djebko, Kirill
T1  - Quantitative modellbasierte Diagnose am Beispiel der Energieversorgung des SONATE-Nanosatelliten mit automatisch kalibrierten Modellkomponenten
T1  - Quantitative model-based diagnosis using the example of the power supply of the SONATE nanosatellite with automatically calibrated model components
N2  - Von technischen Systemen wird in der heutigen Zeit erwartet, dass diese stets fehlerfrei funktionieren, um einen reibungslosen Ablauf des Alltags zu gewährleisten. Technische Systeme jedoch können Defekte aufweisen, die deren Funktionsweise einschränken oder zu deren Totalausfall führen können. Grundsätzlich zeigen sich Defekte durch eine Veränderung im Verhalten von einzelnen Komponenten. Diese Abweichungen vom Nominalverhalten nehmen dabei an Intensität zu, je näher die entsprechende Komponente an einem Totalausfall ist. Aus diesem Grund sollte das Fehlverhalten von Komponenten rechtzeitig erkannt werden, um permanenten Schaden zu verhindern. Von besonderer Bedeutung ist dies für die Luft- und Raumfahrt. Bei einem Satelliten kann keine Wartung seiner Komponenten durchgeführt werden, wenn er sich bereits im Orbit befindet. Der Defekt einer einzelnen Komponente, wie der Batterie der Energieversorgung, kann hierbei den Verlust der gesamten Mission bedeuten. Grundsätzlich lässt sich Fehlererkennung manuell durchführen, wie es im Satellitenbetrieb oft üblich ist. Hierfür muss ein menschlicher Experte, ein sogenannter Operator, das System überwachen. Diese Form der Überwachung ist allerdings stark von der Zeit, Verfügbarkeit und Expertise des Operators, der die Überwachung durchführt, abhängig. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung eines dedizierten Diagnosesystems. Dieses kann das technische System permanent überwachen und selbstständig Diagnosen berechnen. Die Diagnosen können dann durch einen Experten eingesehen werden, der auf ihrer Basis Aktionen durchführen kann. Das in dieser Arbeit vorgestellte modellbasierte Diagnosesystem verwendet ein quantitatives Modell eines technischen Systems, das dessen Nominalverhalten beschreibt. Das beobachtete Verhalten des technischen Systems, gegeben durch Messwerte, wird mit seinem erwarteten Verhalten, gegeben durch simulierte Werte des Modells, verglichen und Diskrepanzen bestimmt. Jede Diskrepanz ist dabei ein Symptom. Diagnosen werden dadurch berechnet, dass zunächst zu jedem Symptom eine sogenannte Konfliktmenge berechnet wird. Dies ist eine Menge von Komponenten, sodass der Defekt einer dieser Komponenten das entsprechende Symptom erklären könnte. Mithilfe dieser Konfliktmengen werden sogenannte Treffermengen berechnet. Eine Treffermenge ist eine Menge von Komponenten, sodass der gleichzeitige Defekt aller Komponenten dieser Menge alle beobachteten Symptome erklären könnte. Jede minimale Treffermenge entspricht dabei einer Diagnose. Zur Berechnung dieser Mengen nutzt das Diagnosesystem ein Verfahren, bei dem zunächst abhängige Komponenten bestimmt werden und diese von symptombehafteten Komponenten belastet und von korrekt funktionierenden Komponenten entlastet werden. Für die einzelnen Komponenten werden Bewertungen auf Basis dieser Be- und Entlastungen berechnet und mit ihnen Diagnosen gestellt. Da das Diagnosesystem auf ausreichend genaue Modelle angewiesen ist und die manuelle Kalibrierung dieser Modelle mit erheblichem Aufwand verbunden ist, wurde ein Verfahren zur automatischen Kalibrierung entwickelt. Dieses verwendet einen Zyklischen Genetischen Algorithmus, um mithilfe von aufgezeichneten Werten der realen Komponenten Modellparameter zu bestimmen, sodass die Modelle die aufgezeichneten Daten möglichst gut reproduzieren können. Zur Evaluation der automatischen Kalibrierung wurden ein Testaufbau und verschiedene dynamische und manuell schwierig zu kalibrierende Komponenten des Qualifikationsmodells eines realen Nanosatelliten, dem SONATE-Nanosatelliten modelliert und kalibriert. Der Testaufbau bestand dabei aus einem Batteriepack, einem Laderegler, einem Tiefentladeschutz, einem Entladeregler, einem Stepper Motor HAT und einem Motor. Er wurde zusätzlich zur automatischen Kalibrierung unabhängig manuell kalibriert. Die automatisch kalibrierten Satellitenkomponenten waren ein Reaktionsrad, ein Entladeregler, Magnetspulen, bestehend aus einer Ferritkernspule und zwei Luftspulen, eine Abschlussleiterplatine und eine Batterie. Zur Evaluation des Diagnosesystems wurde die Energieversorgung des Qualifikationsmodells des SONATE-Nanosatelliten modelliert. Für die Batterien, die Entladeregler, die Magnetspulen und die Reaktionsräder wurden die vorher automatisch kalibrierten Modelle genutzt. Für das Modell der Energieversorgung wurden Fehler simuliert und diese diagnostiziert. Die Ergebnisse der Evaluation der automatischen Kalibrierung waren, dass die automatische Kalibrierung eine mit der manuellen Kalibrierung vergleichbare Genauigkeit für den Testaufbau lieferte und diese sogar leicht übertraf und dass die automatisch kalibrierten Satellitenkomponenten eine durchweg hohe Genauigkeit aufwiesen und damit für den Einsatz im Diagnosesystem geeignet waren. Die Ergebnisse der Evaluation des Diagnosesystems waren, dass die simulierten Fehler zuverlässig gefunden wurden und dass das Diagnosesystem in der Lage war die plausiblen Ursachen dieser Fehler zu diagnostizieren.
N2  - In today's world, technical systems are expected to always work faultlessly to ensure that everyday life runs smoothly. However, technical systems can have defects that limit their functionality or that can lead to their complete failure. In General, defects become apparent through a change in the behavior of individual components. These deviations from the nominal behavior increase in intensity the closer the corresponding component is to a complete failure. For this reason, the malfunction of components should be recognized in time to prevent permanent damage. This is of particular importance for the field of aerospace. When a satellite is already in orbit, no physical maintenance of its components can be performed. The failure of a single component, such as the battery of the power supply, can cause the loss of the entire mission. In principle, fault detection can be carried out manually, as is often the case in satellite operation. For this, a human expert, a so-called operator, has to monitor the system. However, this form of monitoring is heavily dependent on the time, availability and expertise of the operator who performs the monitoring. A different approach is to use a dedicated diagnostic system. Such a diagnostic system can continuously monitor the technical system and calculate diagnoses autonomously. These diagnoses can then be viewed by an expert who can perform actions based on them. The model-based diagnostic system presented in this work uses a quantitative model of a technical system that describes its nominal behavior. The observed behavior of the technical system, given by measured values, is compared with its expected behavior, given by simulated values of the model, and discrepancies are determined. Every discrepancy is a symptom. Diagnoses are calculated by first calculating a so-called conflict set for each symptom. This is a set of components for which holds, that the failure of any single one of these components could explain the corresponding symptom. Using these conflict sets, so-called hitting sets are computed. A hitting set is a set of components for which holds that the simultaneous defect of all components of this set could explain all the observed symptoms. Each minimal hitting set corresponds to one single diagnosis. To compute these sets, the diagnostic system uses a method in which dependent components are determined initially. These components are then suspected by symptomatic components and relieved by correctly functioning components. For the individual components, scores are calculated on the basis of these suspicions and reliefs and diagnoses are computed. Since the diagnostic system relies on sufficiently accurate models and the manual calibration of these models involves considerable effort, a procedure for automatic calibration was developed. This procedure uses a cyclic genetic algorithm to determine model parameters using recorded values of the real components, so that the models can reproduce the recorded data as well as possible. To evaluate the automatic calibration, a test set-up and various dynamic and manually difficult to calibrate components of the qualification model of a real nanosatellite, the SONATE-nanosatellite, were modeled and calibrated. The test setup consisted of a battery pack, a charge controller, a deep discharge protection unit, a discharge controller, a stepper motor HAT and a motor. It was independently manually calibrated, in addition to the automatic calibration. The automatically calibrated satellite components were a reaction wheel, magnetorquers, consisting of a ferrite core coil and two air core coils, a termination board and a battery. To evaluate the diagnostic system, the power supply of the qualification model of the SONATE nanosatellite was modeled. For the batteries, the discharge controller, the magnetorquers and the reaction wheels, the previously automatically calibrated models were used. For the model of the power supply, faults were simulated and diagnosed. The results of the evaluation of the automatic calibration were that the automatic calibration provided a level of accuracy that was comparable to, and even slightly exceeded, that of manual calibration for the test setup, and that the automatically calibrated satellite components were consistently of high accuracy and were therefore suitable to be used for the diagnostic system. The results of the evaluation of the diagnostic system were that the simulated faults were found reliably and that the diagnostic system was able to diagnose the plausible causes of these faults.
KW  - Satellit
KW  - Energieversorgung
KW  - Modellbasierte Diagnose
KW  - Diagnosesystem
KW  - Automatisches Kalibrieren
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206628
ER  - 
TY  - THES
A1  - Busch, Stephan
T1  - Robust, Flexible and Efficient Design for Miniature Satellite Systems
T1  - Moderne Kleinstsatelliten - Zwischen Robustheit, Flexibilität und Effizienz
N2  - Small satellites contribute significantly in the rapidly evolving innovation in space engineering, in particular in distributed space systems for global Earth observation and communication services. Significant mass reduction by miniaturization, increased utilization of commercial high-tech components, and in particular standardization are the key drivers for modern miniature space technology.

This thesis addresses key fields in research and development on miniature satellite technology regarding efficiency, flexibility, and robustness. Here, these challenges are addressed by the University of Wuerzburg’s advanced pico-satellite bus, realizing a generic modular satellite architecture and standardized interfaces for all subsystems. The modular platform ensures reusability, scalability, and increased testability due to its flexible subsystem interface which allows efficient and compact integration of the entire satellite in a plug-and-play manner. 

Beside systematic design for testability, a high degree of operational robustness is achieved by the consequent implementation of redundancy of crucial subsystems. This is combined with efficient fault detection, isolation and recovery mechanisms. Thus, the UWE-3 platform, and in particular the on-board data handling system and the electrical power system, offers one of the most efficient pico-satellite architectures launched in recent years and provides a solid basis for future extensions.

The in-orbit performance results of the pico-satellite UWE-3 are presented and summarize successful operations since its launch in 2013. Several software extensions and adaptations have been uploaded to UWE-3 increasing its capabilities. Thus, a very flexible platform for in-orbit software experiments and for evaluations of innovative concepts was provided and tested.
N2  - Miniaturisierte Satellitensysteme übernehmen zunehmend eine entscheidende Rolle in der fortschreitenden Globalisierung und Demokratisierung der Raumfahrt. Großes Innovationspotential und neue Kommerzialisierungschancen verspricht der effektive Einsatz von Kleinstsatelliten in zukünftigen fraktionierten Missionen für Erdbeobachtungs- und Kommunikationsanwendungen. Basierend auf vielen kleinen kooperierenden Systemen können diese Systeme zukünftig große multifunktionale Satelliten ergänzen oder ersetzen. 

Die Herausforderung bei der Entwicklung miniaturisierter Satellitensysteme ist die Gratwanderung zwischen der im Rahmen der Miniaturisierung notwendigen Effizienz, der für die Erfüllung der Mission geforderten Zuverlässigkeit und der wünschenswerten Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit zur Realisierung agiler Kleinstsatellitenserien. Diese Arbeit adressiert verschiedene Aspekte für den optimalen Entwurf robuster, flexibler und effizienter Kleinstsatelliten am Beispiel des UWE Pico-Satelliten Bus der Universität Würzburg. Mit dem Ziel der Entwicklung einer soliden Basisplattform für zukünftige Kleinstsatelliten-Formationen wurden entsprechende Designansätze im Rahmen des UWE-3 Projektes in einem integralen Designansatz konsistent umgesetzt. 

Neben der Entwicklung von effizienten Redundanzkonzepten mit minimalem Overhead für den optimalen Betrieb auf Ressourcen-limitierten Kleinstsatelliten wurde ein modularer Satellitenbus entworfen, der als eine robuste und erweiterbare Basis für zukünftige Missionen dienen soll. Damit realisiert UWE-3 eine der effizientesten Kleinstsatelliten-Architekturen die in den letzten Jahren in den Orbit gebracht wurde. Dargestellte Missionsergebnisse fassen den erfolgreichen Betrieb des Satelliten seit seinem Launch in Jahr 2013 zusammen.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 11 
KW  - Kleinsatellit
KW  - Fehlertoleranz
KW  - Miniaturisierung
KW  - Modularität
KW  - Picosatellite
KW  - Satellit
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136523
SN  - 978-3-945459-10-2
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bangert, Philip
T1  - Magnetic Attitude Control of Miniature Satellites and its Extension towards Orbit Control using an Electric Propulsion System
T1  - Magnetische Lageregelung von Kleinstsatelliten und ihre Erweiterung zur Orbitregelung durch die Integration eines Elektrischen Antriebssystems
N2  - The attitude and orbit control system of pico- and nano-satellites to date is one of the bottle necks for future scientific and commercial applications. A performance increase while keeping with the satellites’ restrictions will enable new space missions especially for the smallest of the CubeSat classes. This work addresses methods to measure and improve the satellite’s attitude pointing and orbit control performance based on advanced sensor data analysis and optimized on-board software concepts. These methods are applied to spaceborne satellites and future CubeSat missions to demonstrate their validity. An in-orbit calibration procedure for a typical CubeSat attitude sensor suite is developed and applied to the UWE-3 satellite in space. Subsequently, a method to estimate the attitude determination accuracy without the help of an external reference sensor is developed. Using this method, it is shown that the UWE-3 satellite achieves an in-orbit attitude determination accuracy of about 2°.
An advanced data analysis of the attitude motion of a miniature satellite is used in order to estimate the main attitude disturbance torque in orbit. It is shown, that the magnetic disturbance is by far the most significant contribution for miniature satellites and a method to estimate the residual magnetic dipole moment of a satellite is developed. Its application to three CubeSats currently in orbit reveals that magnetic disturbances are a common issue for this class of satellites. The dipole moments measured are between 23.1mAm² and 137.2mAm². In order to autonomously estimate and counteract this disturbance in future missions an on-board magnetic dipole estimation algorithm is developed.
The autonomous neutralization of such disturbance torques together with the simplification of attitude control for the satellite operator is the focus of a novel on-board attitude control software architecture. It incorporates disturbance torques acting on the satellite and automatically optimizes the control output. Its application is demonstrated in space on board of the UWE-3 satellite through various attitude control experiments of which the results are presented here.
The integration of a miniaturized electric propulsion system will enable CubeSats to perform orbit control and, thus, open up new application scenarios. The in-orbit characterization, however, poses the problem of precisely measuring very low thrust levels in the order of µN. A method to measure this thrust based on the attitude dynamics of the satellite is developed and evaluated in simulation. It is shown, that the demonstrator mission UWE-4 will be able to measure these thrust levels with a high accuracy of 1% for thrust levels higher than 1µN.
The orbit control capabilities of UWE-4 using its electric propulsion system are evaluated and a hybrid attitude control system making use of the satellite’s magnetorquers and the electric propulsion system is developed. It is based on the flexible attitude control architecture mentioned before and thrust vector pointing accuracies of better than 2° can be achieved. This results in a thrust delivery of more than 99% of the desired acceleration in the target direction.
N2  - Eine präzise Lage- und Orbitregelung stellt derzeit eine der größten Limitierungen der Einsatzmöglichkeiten von Kleinstsatelliten dar. Um zukünftige wissenschaftliche und kommerzielle Missionen auch mit dieser Klasse von Satelliten erfolgreich durchführen zu können, ist eine Leistungssteigerung bei gleichbleibender Größe und Masse nötig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung des Lageregelungssystems, der Vermessung der Ausrichtgenauigkeit im Orbit und der Herstellung von Orbitregelungskapazitäten mithilfe von fortschrittlicher Sensordatenanalyse und optimierter on-board Software. Die hier entwickelten Methoden wurden an im Orbit befindlichen Satelliten demonstriert und deren Gültigkeit gezeigt.
Neben einer Methode um die typische CubeSat Lageerkennungssensorik im Orbit zu kalibrieren wurde ein Verfahren entwickelt, um die Ausrichtgenauigkeit ohne die Zuhilfenahme eines externen Referenzsensors zu bestimmen. Beide Verfahren wurden mithilfe des UWE-3 Satelliten im Orbit demonstriert. 
Die genaue Analyse der Dynamik eines Satelliten gibt Aufschluss über die vorwiegend herrschenden Störmomente. Für Kleinstsatelliten im erdnahen Orbit kann gezeigt werden, dass Störungen aufgrund von statischen magnetischen Verunreinigungen bei Weitem am meisten Einfluss auf die Dynamik des Satelliten haben. In dieser Arbeit wird eine Methode präsentiert, die Daten der Lageerkennung nutzt um das magnetische Dipolmoment eines Kleinstsatelliten zu bestimmen. Mithilfe dieses Verfahrens konnte das Dipolmoment von drei unterschiedlichen CubeSats im Bereicht von 23.1mAm² bis 137.2mAm² präzise bestimmt werden. 
Um die Lageregelungsgenauigkeit zu steigern wird ein Software Konzept präsentiert, welches die bekannten Störungen der Satellitendynamik inherent und energieoptimiert kompensiert. Die Anwendung dieser on-board Software wurde mit UWE-3 in einer Vielzahl von Lageregelungsexperimenten im Orbit demonstriert.
Die Integration von elektrischen Antrieben wird zukünftigen Kleinstsatelliten die Möglichkeit zur Orbitkontrolle geben und damit viele neue Anwendungsszenarien eröffnen. Die Qualifizierung und Vermessung der Triebwerke im Orbit stellt jedoch eine technische Schwierigkeit dar, da Schübe im Bereich von µN gemessen werden müssen. Ein Verfahren zur genauen Bestimmung des Schubs eines solchen Triebwerks basierend auf dessen Auswirkung auf die Satellitendynamik wurde entwickelt und wird hier mit Hilfe von Simulationen für die UWE-4 Mission demonstriert. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe von UWE-4 der Schub der Triebwerke mit einer hohen Genauigkeit von 1% Fehler für Schübe größer 1µN gemessen werden können.
Eine magnetische Lageregelung unter Zuhilfenahme der elektischen Antriebe stellt das Konzept der hybriden Lage- und Orbitregelung für UWE-4 dar. Die damit erzielbare Leistung hinsichtlich der Ausrichtgenauigkeit sowie Orbitregelung wurde untersucht und ist hier für verschiedene Szenarien gezeigt.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 19 
KW  - Satellit
KW  - Lageregelung
KW  - Plasmaantrieb
KW  - Attitude Determination and Control
KW  - Attitude Dynamics
KW  - Thrust Vector Control
KW  - Kleinsatellit
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177020
SN  - 978-3-945459-28-7 (online)
SN  - 1868-7474
ER  - 
TY  - THES
A1  - Balagurin, Oleksii
T1  - Designoptimierung von Sternsensoren für Pico- und Nanosatelliten
T1  - Design optimization of star sensors for pico- and nanosatellites
N2  - Die Raumfahrt ist eine der konservativsten Industriebranchen. Neue Entwicklungen von Komponenten und Systemen beruhen auf existierenden Standards und eigene Erfahrungen der Entwickler. Die Systeme sollen in einem vorgegebenen engen Zeitrahmen projektiert, in sehr kleiner Stückzahl gefertigt und schließlich aufwendig qualifiziert werden. Erfahrungsgemäß reicht die Zeit für Entwicklungsiterationen und weitgehende Perfektionierung des Systems oft nicht aus. Fertige Sensoren, Subsysteme und Systeme sind Unikate, die nur für eine bestimme Funktion und in manchen Fällen sogar nur für bestimmte Missionen konzipiert sind. Eine Neuentwicklung solcher Komponenten ist extrem teuer und risikobehaftet. Deswegen werden flugerprobte Systeme ohne Änderungen und Optimierung mehrere Jahre eingesetzt, ohne Technologiefortschritte zu berücksichtigen.
Aufgrund des enormen finanziellen Aufwandes und der Trägheit ist die konventionelle Vorgehensweise in der Entwicklung nicht direkt auf Kleinsatelliten übertragbar. Eine dynamische Entwicklung im Low Cost Bereich benötigt eine universale und für unterschiedliche Anwendungsbereiche leicht modifizierbare Strategie. Diese Strategie soll nicht nur flexibel sein, sondern auch zu einer möglichst optimalen und effizienten Hardwarelösung führen.
Diese Arbeit stellt ein Software-Tool für eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung von Sternsensoren für Kleinsatelliten vor. Um eine maximale Leistung des Komplettsystems zu erreichen, soll der Sensor die Anforderungen und Randbedingungen vorgegebener Anwendungen erfüllen und darüber hinaus für diese Anwendungen optimiert sein. Wegen der komplexen Zusammenhänge zwischen den Parametern optischer Sensorsysteme ist keine 
„straightforward" Lösung des Problems möglich. Nur durch den Einsatz computerbasierter Optimierungsverfahren kann schnell und effizient ein bestmögliches Systemkonzept für die gegebenen Randbedingungen ausgearbeitet werden.
N2  - Aerospace is one of the most conservative industries. New developments of components and systems are based on existing standards and experience of developers. The systems should be projected in a given tight time frame, manufactured in very small quantities and finally qualified in a costly way. Experience shows that there is often insufficient time for development iterations and extensive perfection of the system. Finished sensors, subsystems and systems are unique, designed only for a specific function and in some cases even only for specific missions. New development of such components is extremely expensive and risky. For this reason, flight-proven systems are used for several years without modifications or optimization, and without taking technological advances into account.
Due to the enormous financial effort and lethargy, the common approach to development is not directly applicable to small satellites. Dynamic development in the low-cost sector requires a universal strategy that can be easily modified for different applications. This strategy should not only be flexible, but also lead to the most optimal and efficient hardware solution.
This work presents a software tool for a time and cost efficient development of star sensors for small satellites. In order to achieve maximal performance of the complete system, the sensor should fulfil the requirements and constraints of specified applications and, moreover, be optimized for these applications. Due to the complex interrelationships between the parameters of optical sensor systems, no straight forward solution of the problem is possible. Only by using computer based optimization methods, a best possible system concept for the given boundary conditions can be worked out quickly and efficiently.
T3  - Raumfahrttechnik und Extraterrestrik - 1 
KW  - Sternsensor
KW  - CubeSat
KW  - Satellit
KW  - Optimisation
KW  - Star sensor
KW  - Star tracker
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258966
ER  -