Lageregelung - Fragen aus dem Fragenkatalog PDF

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Fragen aus dem Fragenkatalog...

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Lageregelung Lageregelung: Beeinflussung und Regelung der aktuellen Lage des Satelliten 1. Diskutieren Sie passive Verfahren der Lagestabilisierung für Satelliten passiven Lagestabilisierung: Gravitationsfeld oder das Magnetfeld der Erde oder die Kreiselwirkung werden zur Lagestabilisierung in 2 Achsen genutzt, ohne Schließung eines Regelkreises mit Sensordaten System stellt offene Wirkungskette Ungeplante Störungen können nicht kompensiert werden Spin-Stabilisierung: Ein trommelförmiger Satellit dreht sich um die eigene Achse. Er nutzt die inhärente Stabilität eines sich drehenden Körpers gegen äußere Störungen (Kreisel). Vorteile • einfach, geringe Kosten Lang andauernde Lage-Stabilität bezüglich Längsachse, d.h. hohe Ausrichtgenauigkeit einfache Lagesensorik und Steuerung führt zu geringen Massen und Kosten

Nachteile geringe pointing-Genauigkeit (0,3° - 1°) Antenne oder Instrumente ändern permanent ihre Blickrichtungen nur köperfeste Solararrays bisher möglich

Passive Magnetfeldstabilisierung: Satellit besitzt einen (unerwünschten) Restmagnetismus oder, ein Permanentmagnet wird eingebaut, Satellit richtet sich mit seinem Magnetfeld entlang der Feldlinien des Erdmagnetfelds aus

Vorteile Lagestörungen werden abgebaut einfaches Verfahren, für bestimmte Aufgaben ausreichend

Nachteile Keine Lageregelung im eigentlichen Sinn keine Steuerung der Lage möglich

2. Diskutieren Sie aktive Verfahren der Lagestabilisierung für Satelliten aktiven Lagestabilisierung: Lage des Satelliten wird über Sensoren erfasst und üblicherweise die Abweichung zu einer geforderten Soll-Lage ermittelt und mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises geregelt Regelkreis kann (z.B. per Kommando) unterbrochen werden und Lage kann unter Nutzung der Elemente des Regelkreises auch gesteuert werden Magnetspulen: stabilisieren oder ändern die Lage des Satelliten durch Wechselwirkung des Spulenmagnetfeldes mit dem Erdmagnetfeld. Dabei wird der Gesamtdrehimpuls des Satelliten geändert. Vorteile  Preisgünstig und zuverlässig  Wenn Magnetspule als Sensorkopf in einem Boom angelegt wird: Kann an einer freien Position im Satelliteninneren montiert werden und unterliegt somit moderaten Temperatureinflüssen

Die Gefahr unbeabsichtiger Magnetisierung des Sensorkopfes während Einbau, Test und Betrieb ist geringer Messung wird weniger stark durch eigenes statisches Magnetfeld beeinflusst

Drallrad: stabilisiert Lage des Satelliten auf Grundlage des Gesetzes der Drehimpulserhaltung und der Kreiselgesetze -

Drallrad erzeugt einen Drehimpuls im Satelliten, der die Lage auf Grundlage der Kreiselgesetze in alle drei Achsen stabilisiert

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Lageänderungen sind nur um die Drallachse möglich. Durch die feste Verbindung tauscht Drallrad mit dem Satellitenkörper den Drehimpuls aus

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Eintreffende Störmomente bewirken Präzessions- und Nutationsbewegungen des Satelliten, die abklingen

Vorteile Raumflugkörper kann fest ausgerichtet werden, um Antennen zur Erde, Solarpanels zur Sonne oder Beobachtungsinstrumente zum Zielobjekt auszurichten Raumflugkörper und damit auch die Achse des Drallrades von Steuertriebwerken beliebig im Raum gedreht werden

Nachteile Wegen möglichen Ausfall muss mehrfach eingebaut werden

3. Diskutieren Sie die Methoden zur 3-Achsen-Stabilisierung

Reaktionsradstabilisierung: siehe oben Drallradstabilisierung: siehe oben Reaktionsradstabilisierung: siehe oben

4. Erläutern Sie die Unterschiede zwischen analogen und digitalen Sonnensensoren Sonnensensoren Sonnensensoren messen die Einfallsrichtung des Sonnenlichtes. Daraus kann der Sonnenvektor im Raum bestimmt werden. Allgemeines Prinzip: Sonnenlicht wird durch Blenden gerichtet und in einem Detektor in elektrische Ladungen bzw. Ströme gewandelt Unterschied digital und analog: Mit einem 'digitalen Sensor' ist ein Messfühler mit integrierter Analog-Digital-Wandlung gemeint, der zur Übermittlung des Messwertes eine digitale Schnittstelle wie zum Beispiel CANopen, Profibus oder USB nutzt und den Messwert als Zahlenwert überträgt. Ein analoger Sensor überträgt sein Signal als analoges Strom- oder Spannungssignal (beispielsweise 4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V). Prinzip eines analogen Sonnensensors Analoge Sonnensensoren werden meist zur Grobregelung oder als Backupsystem eingesetzt. Funktionsweise: Sonnenlicht wird durch Blenden (für genaue Sonnenrichtung) gerichtet und in einem in elektrische Ladungen bzw. Ströme gewandelt einfacher Aufbau, schnelle Erfassung und großen Erfassungsbereich (45 bis 180°) Es gibt grobmessende und genau messende analoge Sonnensensoren Nachteil: (je nach Funktionsprinzip) relativ schlechte Genauigkeit Messsystem meist einfache Wärmestrahlungsmessgeräte (z. B. auf Basis von temperaturabhängigen Widerständen) oder Fotosensoren zum Einsatz. Diese sind an allen drei Seiten (Raumrichtungen) des Satelliten angebracht und bestimmen nur (per Vergleich der Werte der Sensoren) die Richtung der größten Lichteinstrahlung.

Digitale Sonnensensoren basieren auf Erkennung der Sonne mit Hilfe von Zeilen- oder Matrixsensoren was eine wesentlich genauere Positionsbestimmung erlaubt mit großem Sichtfeld

Messprinzip digitaler Sonnensensor: Sonnenlicht fällt durch Schlitzblende auf Sensorfläche mit rechteckigen Foto-Detektoren Detektoren sind im Gray-Kode-Muster angeordnet, so daß der einfallende Lichtstrahl elektrische „1“ und „0“ erzeugt Gray-Code: dient als Kodierungsverfahren zur robusten Übertragung digitaler Größen über analoge Signalwege

5. Diskutieren Sie Erdsensoren, Horizontsensoren und intertiale Messeinheiten zur Lagebestimmung Erdsensoren: detektieren die Lage des Erdhorizonts und bieten Möglichkeit Winkel um RollAchse und Nickachse zu bestimmen    

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Messung erfolgt über infraroten Spektrum 15 mikrometer und ist somit über gesamten Orbit verfügbar Sofern Mond oder Sonne sichtbar sind sind temporäre Störungen möglich Messgenauigkeit ist von Temperatur abhängig Fehler die sich ergeben: ungleichmäßige Strahlungsverteilung innerhalb Erdatmosphäre bewirkt Abweichung von 0,1° Abplattung der Erde variiert der Winkel zwischen Erdhorizont und Erdmittelpunkt Unkorrigert kann es Abweichung von 0,3° ergeben Im Gebrauch sind Statistische Erdsensoren: bei hochelliptischen Bahnen ungeeignet Scannende Sensoren: hohe Genauigkeiten Vorteile: direkte Vermessung des Roll- und Nick-Moments Statische Erdsensoren: Erdhorizont befindet sich permanent im Sichtfeld des Sensors Wärmestrahlung wird über Germanium Linse auf 2 Wärmedetektoren abgebildet Durch Vergleich von den beiden Feldern erzeugten Spannungen kann die Lage des Erdhorizonts innerhalb des Sensors berechnet werden Scannende Erdsensoren: Beim scannenden überstreicht das Bild des Erdhorizonts den Detektor Scan wird durch ein rotierenden Spiegel ausgeführt oder automatisch durch SpinStabilisierung Im Gegensatz zu statischen Sensoren Wechselpunkt des Horizonts ausgewertet wird ist genauer Bauformen Genauigkeit Rollmoment Messachsen Masse Leistung

Statisch 1°, 3 sigmar 20° 1 0,2 kg 0,35 W

scannend 0,05 bis 0,05, 3 sigmar 30° 2 3,5 kg 7,5 W

6. Erläutern Sie Prinzip und Kenngrößen eines Sternsensors Sternsensor: betimmen inertiale Lage durch Identifikation eines Sternenmusters Bestehen meist aus Kamerateil und nachgeschalteter Elektronik zur Bildverarbeitung und Lageregelung Messprinzip: Durch Optik und Blenden wird Ausschnitt des Fixsternhimmels auf Detektorfeld projiziert und dort die Konstellation der hellsten projizierten Sterne zueinander in einem internen Sternkatalog gesucht Daraus wird Blickrichtung des Sternsensors bestimmt und somit die Lage des Satelliten Funktionsprinzip:  Vor dem Objektiv befindet sich Baffle  Baffle: Lichtfalle, die seitlich einfallendes Streulicht von Erde und Sonne abblockt  Ohne Baffle wäre schwaches Sternenlicht über große Winkelbereiche von Streulicht überstrahlt  Lichttstarkes Objektiv projiziert Sternenmuster auf CCD-Chip  Fokus ist so eingestellt, dass Licht über mehrere Pixel verteilt ist  Schwerpunkt der Verteilung, Position des Sterns auf dem Chip bestimmt werden Kenngrößen:  Sternsensoren liefern Lagedaten mit einer Genauigkeit von 0,01° bis 0,001°.  Brennweite 30-50 mm  Pixelauflösung des Detektors  Anzahl der verarbeiteten Sterne 3-15 7. Erläutern Sie Prinzip und Kenngrößen von Reaktionsrädern. Worin besteht der Unterschied zu Drallrädern) Prinzip: Drehimpuls ist konstant sobald kein Drehmoment wirkt Drehimpuls wird durch rotierendes Schwungrad realisiert. Drehmomente in der Rotationsachse ändern Betrag des Drehimpulses, Drehmomente quer zur Rotationsachse Da für Richtungsänderungen hohe Drehmomente nötig sind entsteht durch Drehimpuls stabilisierender Effekt Reaktionsrad ist ein Aktor zur Lageregelung eines Satelliten Besteht aus Motor. Schwungmasse und Regelelektronik Funktionsprinzip:

Reaktionsräder (RW) stabilisieren oder ändern die Lage des Satelliten auf Grundlage des Gesetzes der Drehimpulserhaltung. Ohne Störungen würden sie keinen Drehimpuls aufbauen. Beim Auftreten eins Störimpulses tauschen sie durch ihre körperfeste Verbindung mit dem Satelliten den Drehimpuls aus. Der Gesamtdrehimpuls des Satelliten bleibt Null oder erhalten. Bei Eintreffen eines Störmomentes können sie ein Kompensationsmoment durch Erhöhung der Drehzahl erzeugen. Der Drehmomentvektor wird beim Betrieb mehrerer Räder entsprechend ausgerichtet • Werden bei niedrigen Drehzahlen betrieben • Für lange Lebensdauern (10 Jahre) entwickelt • Kompakter Aufbau • Verbrauchen Ressourcen des Satelliten wie Energie, Bauraum, Schnittstellen, Software, Rechnerkapazität und tragen zur Masse bei • Relativ einfache aber genaue Aktuatoren, um ein Drehmoment zu erzeugen und Störungen zu kompensieren oder um Schwenkmanöver durchzuführen • Sind Standardbauteile für genaue Ausrichtung von Satelliten auf ein Ziel Reaktionsrad: - Im Normalfall im Stillstand - Wird nur zur Lageänderung des Satelliten oder zum Ausgleich äußerer Störmomente auf entsprechende Drehzahl gebracht - Mehrere Reaktionsräder pro Satellit - Wenn nach mehreren Lageänderungen Maximaldrehzahl erreicht ist muss gestoppt werden - typisches Reaktionsrad für einen mittelgroßen kommerziellen Satelliten hat einen Durchmesser von 20 bis 30 cm, eine Höhe von ca. 10 cm und eine Gesamtmasse von 5 bis 10 kg. Bei einer Drehzahl von ca. 5.000/min erzeugt es 20 Nms Drallräder 500 - Obergrenze für das erzeugte Drehmoment liegt typischerweise bei 0,2 bis 0,5 Nm Drallrad: -

Läuft ständig mit hoher Drehzahl und erzeugt dadurch stabilisierenden Drall Ein Drallrad pro Satellit

8. Erläutern Sie drei Methoden der Lagebeschreibung für Satelliten Lagebeschreibung: Winkelabweichung zweier karthesischer Koordinatensysteme , Referenzsystem und Körpersystem Körpersystem ist fest im Körper und dreht sich mit dem Körper mit

Lagebeschreibung: Euler Winkel 3 Winkelgrößen aus der Lagematrix berechenbar Geben Drehung um x-Achse,y-Achse und z-Achse an mit Drehungsmatrizen

Roll-Winkel beschreibt drehungswinkel um x-Achse, Pitch um y-Achse und Yaw um z-Achse

Lagebeschreibung: Richtungskosinus-Matrix Lage wird durch 3x3 Lagematrix A dargestellt Elemente der Lagematrix beschreiben die Skalarprodukte der entsprechenden Koordinatensystemachsen und stellen somit den Kosinus der Winkelabweichung dar Matrix hat die Eigenschaft Vektoren aus dem Referenzsystem in das Körpersystem zu transformieren + Keine Singularitäten + Keine trigonometrischen Rechenoperatoren

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In der Raumfahrt geringe Anwendung, da aus Matrix nicht direkt die Winkelabweichung der beiden Koordinatensysteme erkenntlich ist

Quaterionen: ein Zahlbereich, der den Zahlbereich der reellen Zahlen erweitert – ähnlich den komplexen Zahlen und über diese hinaus Stellen in Bezug auf Speicherbedarf und numerische Stabilität Optimum der Lagebeschreibung dar Drehsequenzen können dargestellt werden

9. Erläutern Sie an Hand eines Blockschaltbildes die Lageregelung eines Satelliten  Satellit soll gewünschte Lage einnehme  Gewünschte Lage kann über einen implementierten Algorithmus berechnet oder vom Kontrollzentrum am Boden an Satelliten geschwisckt werden  Gewünschte Lage und gemessene Lage werden verglichen  Daraus ergibt sich Lageabweichung  Abweichung geht in den Lageregler ein  Dort werden Kommandos an Stellglieder (aktuator) generiert und weitergeleitet

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Lageaktoren üben ein Moment auf Satelliten aus und verändern damit die Lage Parallel wirken die Störmomente auf Raumflugkörper Satellit nimmt neue Lage ein Diese wird von Satellit gemessen Lageregelungskreis schließt sich...