Präzise Lageregelung von Kleinsatelliten

Payload für TET1 Bild: DLR RM-OS

Die „Attitude“ des Satelliten besteht aus den beiden Komponenten Orientierung und Drehrate des Satelliten. Eine bestimmte Orientierung wird zum Beispiel benötigt, um eine Kamera auf ein Ziel auszurichten. Zusätzlich kann eine Drehrate notwendig sein, um ein Gebiet mit einem Zeilenscanner abzutasten oder die Kamera über längere Zeit auf ein Ziel auszurichten, während der Satellit im Erdorbit sich mit mehr als 7 km/s in seiner Bahn über Grund bewegt.

Die verwendete Regelungstheorie ist eine Kombination aus „Zustandsschätzung“ und „Zustandssteuerung“. Der Satellit, wird durch seine Orientierung, seine Drehrate, durch seine Winkelbeschleunigung und weitere Größen beschrieben. Jede Größe entspricht einer Achse in einem mehrdimensionalen „Zustandsraum“. Mit der Zeit ändern sich die Größen und es entsteht eine Bahn im Zustandsraum. Die Regelung versucht als erstes den Ausgangpunkt in diesem Raum zu bestimmen (Zustandsschätzung) um dann eine Bahn zu finden, die in den gewünschten Zustand führt (Zustandssteuerung).

Die Genauigkeit der Regelung kann dann mit statistischen Größen wie Mittelwert und Streuung beschrieben werden.

Der Begriff „Präzision“ leitet sich dann immer aus der konkreten Aufgabenstellung ab. Für optische Systeme müssen die Eigenschaften der abzubildenden Szene, der Lichtverhältnisse, der Eingangsoptik, des Detektors, der Auslese-Elektronik und der Signal- und Datenverarbeitung im Zusammenhang mit der Lageregelung betrachtet werden, um eine an der Aufgabenstellung zu messende Präzision zu definieren. Das erfordert natürlich ein profundes Verständnis der optischen Sensorsysteme und ist nur in einer interdisziplinären Zusammenarbeit umsetzbar.

Ein Besonderheit von Kleinsatelliten (Masse kleiner 150 kg) besteht dabei darin, dass sie aufgrund ihrer geringen Abmessungen „unträger“ sind, als ihre großen Brüder (Masse bis einige Tonnen) - also auf äußere Störungen (Sonnenwind, Erdmagnetfeld, Schwankungen im Schwerefeld der Erde usw.) mit schnelleren Bewegungen reagieren. Um dennoch hochwertige Bildaufnahmen aus einem Kleinsatelliten machen zu können, muss man die komplette Strecke der Lagereglungssensoren, der Aktuatoren und der Steueralgorithmen bearbeiten. Die Expertise besteht darin, aus den Eigenschaften optischer Systeme die Anforderungen an ein Lagereglungssystem insgesamt oder auch an seine Komponenten ableiten zu können, oder gegebene Systementwürfe zu bewerten – oder aber auch das komplette System zu entwerfen, zu implementieren und im Orbit erfolgreich zu betreiben.

Kleinsatellit TET1 Bild: DLR/ASTRO/Kayser Threde