PRISMA-Blog
 
 

DLR's erweiterte Rendezvous-Demonstration mit Hilfe von GPS und optischer Navigation (ARGON

18. Juli 2012, 17.14, Benjamin Schlepp, 2 Kommentar/e
Das DLR konnte die erweiterte Rendezvous-Demonstration mit Hilfe von GPS und optischer Navigation (ARGON) in der Zeit vom 23.-27. April 2012 erfolgreich mit PRISMA durchführen. Das ARGON Experiment demonstrierte ein Rendezvous aus großer Entfernung mit einem nicht kooperativen Ziel nur unter Verwendung von Winkeldaten. Beginnend in einem Abstand von 30km näherte MANGO sich dem passiven Zielsatelliten TANGO innerhalb von fünf Tagen Bodenbetrieb bis zu einem Sicherheitshaltepunkt in 3km Entfernung.

Erwähnenswert ist die Tatsache, dass während der gesamten Annäherung keine GPS-Daten von Tango verwendet wurden. Die Relativ-Navigation basierte ausschließlich auf Winkelmessungen, die aus den Bildern, aufgenommen von Mango, abgeleitet wurden. Der erfolgreiche Abschluss von ARGON hat gezeigt, dass Techniken zu Guidance, Navigation & Control basierend auf optischer Navigation durch das DLR/GSOC nun qualifiziert sind und für eine Unterstützung von wichtigen On-Orbit Servicing Missionen zur Verfügung stehen.

Es konnte in der Zeit von 23. bis 27. April 2012 das ARGON Experiment (Advanced Rendezvous demonstration using GPS and Optical Navigation) erfolgreich durchgeführt werden. Da die PRISMA Formation im August 2011 an das schwedische Kontrollzentrum von OHB-SE zurückgegeben wurde, erfolgten der Missionsbetrieb und die Experimentüberwachung von Solna aus. Das deutsche Experimentteam bestand aus fünf Mitarbeitern der Abteilung für Raumflugtechnologie des DLR/GSOC.

Das Ziel von ARGON war die Demonstration eines Rendezvous mit einem nicht kooperativen passiven Ziel, das in einem möglichen On-Orbit Servicing Szenario die Rolle des Klienten übernahm. Als Folge davon agierte das Experimentteam ohne Informationen vom Zielsatelliten TANGO, es gab also keine Kenntnis von seiner Umlaufbahn bzw. seinen GPS-Daten. Um möglichst realistische Bedingungen zu schaffen, wurde TANGO zuvor noch in leichte Drehungen versetzt, ähnlich einem außer Kontrolle geratenen Satelliten. Entsprechend dem On-Orbit Szenario spielte MANGO die Rolle des Service-Satelliten. Seine GPS-Daten wurden für die hochgenaue Bahnbestimmung (Precise Orbit Determination POD) verwendet. Aber woher wusste man, wo TANGO war? Nun. Das war hier die Neuerung. Die Formationsparameter, also die Daten, die die relative Position von MANGO und TANGO beschreiben, wurden basierend auf reinen Winkelmessungen berechnet, die aus Bilddaten gewonnen werden konnten. Zu diesem Zweck war es notwendig, TANGO im Sichtbereich von MANGOs VBS Kamera (Sternkamera mit zusätzlicher Optik) zu halten. Dies wurde gewährleistet durch eine Kette von Aktionen, die vom Experimentteam als Teil des Regelkreises (ground-in-the-loop) durchgeführt wurden:

  • Bildverarbeitung,
  • Relativnavigation nur mit Winkeldaten,
  • Strategie für die Formationshaltung und
  • die entsprechende Manöverplanung

Zu Beginn von ARGON war die Formation von MANGO und TANGO dem Experimentteam nicht bekannt. Basierend auf verfügbaren Two-Line Elementen (TLEs) von TANGO und GPS-Daten von MANGO wurden grobe Formationsparameter berechnet und daraus eine grobe Entfernung in Flugrichtung (along-track) von 30km in erster Näherung geschätzt. Parallel dazu wurde das VBS System aktiviert, um regelmäßige Bildaufnahme von TANGO zu machen. Ein erstes kleines Manöver wurde eingeleitet, um zum einen eine Drift zum Zielsatelliten zu erreichen und zum anderen die Resultate der Relativ-Navigation zu verbessern. Während der dazwischen liegenden Bodenstationskontakte wurden die Bilddaten zum Boden geschickt und dort prozessiert. Basierend auf den daraus gewonnenen Winkeldaten wurde eine erste Relativnavigation berechnet. Dieses aktualisierte Wissen über die Formation wurde dann wieder bei der Berechnung der nächsten Manöverplanung berücksichtigt, und so weiter. Entsprechend dieser Strategie wurden zweimal am Tag Manöver durchgeführt, um die Formation in der Zielplanung zu halten. Das Hauptziel war, MANGO in einen Haltepunkt 3km in Flugrichtung von TANGO entfernt in einen sicheren Relativorbit zu bringen. Bild 1 zeigt die überlappenden Aufnahmen innerhalb eines Orbits während ARGON. Die Zeit zwischen 2 Aufnahmen beträgt hier etwa 10 Minuten. Der nahezu kreisförmige Relativ-Orbit von MANGO zu TANGO ist gut zu erkennen.

Bild 1: Überlappende Bilder von TANGO während eines Orbits, aufgenommen alle 10 Minuten

Aus Sicherheitsgründen haben die schwedischen Kollegen die GPS-Daten von TANGO für die Überwachung der Formation verwendet, um eine sichere Annäherung zu gewährleisten, doch sie haben diese Information zu keiner Zeit an das Experimentteam weitergegeben. Nur im Fall eines hohen Kollisionsrisikos hätten sie in das Experiment eingegriffen und es abgebrochen, doch das war nicht notwendig.

Nach Abschluss von ARGON wurden die aufgezeichneten GPS-Daten prozessiert, womit die relativ-Geometrie während des gesamten Experiments auch für das Experimentteam verfügbar war. Die so ermittelte Entwicklung der Formation während ARGON ist in Bild 2 dargestellt. Der Vergleich mit der optischen Relativ-Navigation zeigt eine außerordentliche Genauigkeit mit Fehlern unter 5-10m während des gesamten Experiments in allen Relativ-Bahnelementen (ohne Abstand in Flugrichtung, along-Track).

Bild 2. Tatsächliche Relativposition von MANGO, dargestellt in der auf TANGO ausgerichteten Bahnebene, berechnet mit GPS POD

Weitere Informationen zum Experiment allgemein, zur Entwicklung des Flugdynamiksystems und der erreichten Ergebnisse findet man in [1] und [2]. Die mit ARGONerzielten Erfahrungen sind sehr wertvoll für zukünftige Missionen, wie DEOS, in denen On-Orbit Servicing weiter entwickelt und realisiert wird. Die auf optischer Navigation basierenden Techniken für Guidance, Navigation & Control konnten demonstriert und qualifiziert werden und stehen nun für eine Unterstützung von wichtigen On-Orbit Servicing Missionen zur Verfügung.


[1] D'Amico, S. et al.: "Non-Cooperative Rendezvous using Angles-only Optical Navigation: System Design and Flight Results", Journal of Guidance, Control and Dynamics (JGCD), 2012.
[2] D'Amico, S. et al.: "Flight Demonstration of Non-Cooperative Rendezvous using Optical Navigation", ISSFD Conference Paper, 2012.


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Kommentare
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  • Von Daniel Schiller am 22.07.2012
    Vielen Dank für den Bericht. Er fasst das gut zusammen und vermittelt auch Spannung :). Wie häufig und lang waren denn Kontakte? Welche Bodenstationen waren beteiligt? Ich denke die kurzen Fenster, der Verzug zwischen Messung, Übertragung, Verarbeitung, Entscheidung, Kommando sind eine Herausforderung und machen das zögerliche Manövrieren notwendig. Wäre das mit EDRS oder TDRS samt optimierter Sensorik und Avionik an Bord deutlich anderes (zügiger/direkter)?
  • Von Benjamin Schlepp am 23.07.2012
    Als Bodenstation stand nur Kiruna zur Verfügung. Somit hatten wir ca. 10 Kontakte pro Tag. Das Konzept kann wie folgt kurz beschreiben werden: Sobald genügend Bilddaten gesammelt und gedumpt wurden, sind die Prozesse Bildverarbeitung, präzise Bahnbestimmung von Mango, Relativ-Navigation (beruhend auf den Winkeldaten) und Manöver-Planung am Boden durchgelaufen. I.d.R. wurden die Manöver dann im nächsten Kontakt hochgeladen, mit Ausführungszeiten in den darauf folgenden 2 Orbits. Dann wurden wieder Bilddaten gesammelt bis mindestens einen Orbit nach dem letzten Manöver. Diesem Konzept folgend wurden für einen Zyklus etwa 5 Orbits benötigt, was 2 Zyklen pro Tag erlaubt. Wenn Teile dieser Prozess-Kette oder sogar der gesamte Prozess automatisiert an Bord ablaufen können, wird dadurch natürlich Zeit eingespart. Allerdings werden je nach Kontroll-Konzept (hier paarweise along-track Manöver) weiterhin bis zu 2 Orbits für die Manöver und ein Orbit nach dem letzten Manöver für eine zuverlässige Relativ-Navigation benötigt. Festhlatend an dem Kontroll-Konzept könnte demnach von 5 auf 3 Orbits je Zyklus reduziert werden.