Lageregelung

Der Satellit wird mit Reaktionsrädern und Magnettorquern dreiachsenstabilisert.

Die vier Reaktionsräder sind in einer Tetraederkonfiguration angeordnet um Redundanz zu gewährleisten. Dies macht es möglich den Ausfall eines Rades zu kompensieren. Die Magnettorquer (Magnetspulen) werden hauptsächlich verwendet, um den sich über die Zeit in den Reaktionsrädern ansammelnden Drall abzubauen. Sie werden aber auch dazu verwendet, den Satelliten in der LEOP (Launch and Early Operations = Start und frühe Operationsphase) nach der Trennung von der Trägerrakete zu stabilisieren, denn alle aufwändigeren Systeme (wie die Reaktionsräder) sind in dieser Phase abgeschaltet.

Die Bewegungen des Flying Laptop werden von fünf Sensortypen überwacht:

  • zwei dreiachsige Magnetometer
  • ein 4π Sonnensensorsystem zur groben Bestimmung der Sonnenrichtung
  • vier Faseroptische Kreisel zur Drehtratenmessung
  • ein Sternenkamerasystem mit zwei Kameraköpfen
  • drei GPS Empfänger

Die ZARM AMR-Magnetometer verwenden magneto-resistive Sensoren und sind mit einer digitalen schnittstelle ausgestattet. Zur Drehratenmessung werden ebenfalls vier Kreisel eingesetzt. Das Sternenkamerasystem der Technischen Universität Dänemark liefert eine relative Lagemessung mit einer Genauigkeit von bis zu 2 Bogensekunden. Wenn der Satellit stabilisiert ist und sich mit einer Geschwindigkeit von weniger als 1,2 °/s dreht, liefert das Sternenkamerasystem kontinuierliche Messwerte. Um die maximale Genauigkeit um alle drei Körperachsen zu gewährleisten und um die Wahrscheinlichkeit einer Blendung der Sternenkamera zu reduzieren, ist eine zweite Kamera so am Satelliten angebracht, dass ihre optische Achsen in einem Winkel zueinander stehen. Um eine genaue genaue Zielausrichtung während Aufnahmen und Bodenstationskontakten zu erreichen ist der Flying Laptop mit einem GPS Navigationssystem bestehend aus drei unabhängigen Antennen und Phoenix Empfängern ausgestattet. Diese wurden am DLR/GSOC in Oberpfaffenhofen entwickelt.

Das Lagekontrollsystem kann fünf verschiedene Modi kommandieren, die jeweils speziell auf die benötigte Operationsphase oder Notfallsituation zugeschnitten sind.

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  • Der Detumbling Mode (Mode 0) wird nach der Trennung von der Rakete und wenn der Satellit mit einer Drehrate von mehr als 3 °/s rotiert automatisch ausgelöst. der Flying Laptop misst mit den Magnetometern die Drehgeschwindgikeit und verringert diese mit den Magnettorquern.
  • Der Safe Mode (Mode 1) wird von der Bodenstation oder von der automatischen Fehlererkennung kommandiert, sollte ein missionskritisches Problem auftreten. Um den Satelliten zu stabilisieren und die Ausrichtung der Solarzellen zur Sonne - und damit das Laden der Batterien - sicherzustellen bedient der Flying Laptop sich der Sonnensenoren, um die Achse des größten Trägheitsmomentes Richtung Sonne auszurichten. Die Magnetometer und Magnettorquer sorgen dann für eine Drehrate von 2 °/s um diese Achse. Dadurch wird sichergestellt, dass der Satellit diese stabile Lage auch bei auftretenden Störungen nicht verliert.
  • Wenn der Satellit voll einsatzbereit ist, aber nicht benutzt wird, wird er in den Idle Mode (Mode 3) versetzt. Im Idle Mode werden die Solarzellenflächen mit den Reaktionsrädern, den Sternensensoren, Sonnensensoren und den Faseroptischen Kreiseln aktiv zur Sonne hin ausgerichtet. So werden die Batterien am effektivsten geladen und der Satellit ist jeder Zeit bereit Beobachtungen in den Pointing Modes auszuführen.
  • Um Aufnahmen zu machen stehen wie oben gezeigt drei verschiedene Lagekontrollmodi zur Verfügung: der Inertial Pointing Mode (Mode 3), der Nadir Pointing Mode (Mode 4) und der Target Pointing Mode (Mode 5).
    Im Target Pointing Mode ist der Satellit während des Überfluges auf ein festes Ziel auf der Erdoberfläche ausgerichtet. Die Drehrate ist maximal 1°/s und folgt einer nichtlinearen "Glockenkurve". Dies ist der anspruchsvollste Modus im Hinblick auf die Kontrollalgorithmik und die geforderte Lagegenauigkeit.
    Im Nadir Pointing Mode zeigen die Nutzlastkameras "senkrecht nach Unten" (in Nadirrichtung) und im Inertial Pointing Mode können die Kameras (oder jede Seite des Satelliten) auf ein Ziel am Sternenhimmel (z.B. einen Stern, die Sonne oder den Mond) ausgerichtet werden. In diesem Modus dreht sich der Flying Laptop nicht, seine Lage wird inertial festgehalten. Die Sternenkameras, Faseroptischen Kreisel, das GPS und die Reaktionsräder werden in den Pointing Modes verwendet. Die Magnetometer und Magnettorquer können optional hinzugeschalten werden um die Reaktionsräder zu entsättigen.

Das Lagekontollsystem muss den wissenschaftlichen Erdbeobachtungsinstrumenten eine genaue Lagemessung (2,5 Bogensekunden) und eine Ausrichtgenauigkeit von 150 Bogensekunden zur Verfügung stellen. Darüber hinaus muss der Satellit sehr agil seine Lage wechseln können, was eine weitere Herausforderung an das Lagekontrollsystem eines Kleinsatelliten darstellt. Dies kann nur durch ein ausgeklügeltes Lagekontrollsystem und sehr akkuraten Sensoren und Aktuatoren erreicht werden.
Neue Methoden zur Implementierung der Lagekontrollalgorithmen werden zur Zeit verfolgt.

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