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Magnetic Attitude Control of Miniature Satellites and its Extension towards Orbit Control using an Electric Propulsion System

Magnetische Lageregelung von Kleinstsatelliten und ihre Erweiterung zur Orbitregelung durch die Integration eines Elektrischen Antriebssystems

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-177020
  • 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 spaceborneThe 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.show moreshow less
  • 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 vonEine 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Philip BangertORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-177020
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Graduate Schools / Graduate School of Science and Technology
Referee:Prof. Dr. Klaus Schilling
Date of final exam:2018/11/28
Language:English
ISSN:1868-7474
Year of Completion:2019
Series (Serial Number):Würzburger Forschungsberichte in Robotik und Telematik (19)
ISBN:978-3-945459-28-7 (online)
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-17702
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 003 Systeme
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
GND Keyword:Satellit; Lageregelung; Plasmaantrieb
Tag:Kleinsatellit
Attitude Determination and Control; Attitude Dynamics; Thrust Vector Control
Release Date:2019/03/19
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand