Raumfahrt

Unter den unterschiedlichen Subsystemen eines Kleinsatelliten ist das Lageregelungssystem als sehr komplexes mechatronisches System von besonderer Bedeutung. Es unterliegt höchsten Anforderungen in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit. Bei der Entwicklung eines ACS (attitude control system = Lageregelungssystem) und dessen Test müssen viele wechselseitige Abhängigkeiten berücksichtigt werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand während des gesamten Projektes. In diesem Kontext bieten Simulationsmodelle eine wertvolle Unterstützung von Planung, Entwicklung und Test.

Für die Simulation von Lageregelungssystemen hat Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH eine umfangreiche und flexible Modellbibliothek aufgebaut. Mit dieser lassen sich unterschiedliche Kleinsatelliten im Rechner abbilden. Die Modellbibliothek enthält nicht nur Umweltmodelle und Dynamikbeschreibungen. Sie beinhaltet außerdem Modelle zu gängigen Sensoren und Aktuatoren aus dem Anwendungsgebiet der Kleinsatelliten sowie Umsetzungen unterschiedlicher Regelkonzepte und Algorithmen. Über definierte Schnittstellen ist die Interoperabilität mit Modellen anderer Subsysteme, z.B. Power oder Thermal gegeben.

Der Einsatzbereich der Modelle erstreckt sich dabei von Machbarkeitsstudien und Konzeptentwicklung bis zur Unterstützung von Hardwaretest durch Generierung von Testszenarien und Vergleichsdaten oder Hardware in the Loop (HiL) Tests. Die Simulation wird erfolgreich in internen und externen Projekte eingesetzt: ein erfolgreiches Beispiel ist der Einsatz während der Verifikations-Phase des Satelliten-Projektes TET-1 (Video).

Auf Baugruppenebene haben wir Modelle von Reaktionsrädern aufgebaut, welche eine detaillierte Repräsentation unserer Hardware RW90 darstellen. Das Modell besitzt dieselbe Telemetrie- und Kommandostrecke wie die reale Hardware. Im Modell sind außerdem alle vier Regelmodes, die Motor-Sensorstrecke sowie das elektrische und thermale Verhalten nachgebildet. Wichtige elektrische, thermale und physikalische Größen werden nach außen zum Umwelt- bzw. Satellitenmodell übergeben. Das Modell unterstützt die Entwicklung und Tests des übergeordneten Systems schon bevor die eigentliche Hardware zur Verfügung steht. Dafür ist das Modell Realzeitfähig und kann somit bei Hardware in the Loop (HiL) Tests eingesetzt werden.

Lageregelungsmodell:

• Close-Loop Simulation eines Satellitenbus in MATLAB/Simulink
• Satellitenbus mit den Subsystemem ACS, Power und Thermal
• Generische Modelle von Umwelt, Dynamik und Satellitenbus
• Orbitpropagation nach SGP-4 Modell
• Umweltmodelle gemäß ECSS Standards (z.B. IGRF)
• Schätzung von Störmomenten in 3D
• Aktuator- und Sensoreigenschaften entsprechen den Leistungsdaten der TET‑1 Baugruppen
• Wählbare Regelkonzepte (PID, Zustandsregelung) und Pointing Modi
• Thermale und elektronische Eigenschaften von Komponenten
• Austauschbarkeit von Komponenten durch BUS-Schnittstellen

Reaktionsradsmodell:

• Detaillierte Beschreibung des RW 90
• Echtzeitfähig
• Identische TM/TC-Schnittstelle
• Alle vier RW 90 Regelmodi
• Modellierung von Motor, Temperaturen und Energieverbrauch

Die Modelle wurden im Rahmen des Förderprojektes WieMod - Wieder verwendbare Modelle für die virtuelle wissensbasierte Produktentwicklung entwickelt. Das WieMod-Projekt wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 01|S08015A durchgeführt.