DE102023125978A1

DE102023125978A1 - Lageschätzung eines optischen Satelliten-Terminals

Info

Publication number: DE102023125978A1
Application number: DE102023125978.4A
Authority: DE
Inventors: René Rüddenklau
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2023-09-26
Filing date: 2023-09-26
Publication date: 2025-03-27
Also published as: WO2025068086A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Satelliten zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper (1) des Satelliten angeordneten Moduls (3), das einen Kommunikations-Sensor (5) zum Empfangen optischer Kommunikationssignale aufweist, aufweisend eine Recheneinheit (7) und einen Aktor (6) zum Verkippen des Moduls (3) gegenüber dem Grundkörper (1) und den Kommunikations-Sensor (5), wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, einen auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus zum Schätzen einer Lage des Moduls (3) auszuführen und für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor (5) auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit einer der Recheneinheit (7) bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender zu verwenden, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper (1) des Satelliten angeordneten Lagesensors (9) zu verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Satelliten zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper des Satelliten angeordneten Moduls, sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer abgespeicherten Koordinatensystemtransformation zwischen einem Modul eines Satelliten und einem Grundkörper des Satelliten.
Künstliche Satelliten, die sich in einer Umlaufbahn um die Erde bewegen, können typischerweise über Funkwellen mit anderen Satelliten oder Bodenstationen kommunizieren; zunehmend wird jedoch auch die optische Kommunikation eingeführt. Bei Letzterer werden Lichtsignale vom Satelliten zur Bodenstation oder einem anderen Satelliten gesendet oder von einem dieser empfangen. Die Lichtsignale dienen als Informationsträger, um einen Datenstrom zwischen zwei Satelliten, oder zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten, übertragen zu können.
Die US 2016/0043800 A1 betrifft in diesem Zusammenhang ein CubeSat-Modul für einen CubeSat, wobei das CubeSat-Modul einen optischen Sender zur Übertragung von Daten an ein entferntes Endgerät umfasst; sowie einen Empfänger zum Erfassen eines optischen Beacons von der Remote-Endstation; und ein Feinzielmodul, das mit einem Grobausrichtungsmodul des CubeSat funktionsfähig gekoppelt ist, um den optischen Sender mit einem Genauigkeitsbereich, der sich mit einem Genauigkeitsbereich des Grobausrichtungsmoduls des CubeSat überschneidet, auf das entfernte Endgerät auszurichten, um eine Kommunikationsverbindung zwischen dem CubeSat und dem entfernten Endgerät über eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO)-Entfernung herzustellen.
Zur Realisierung einer Kommunikation zu und/oder von einem Satelliten mit Lichtsignalen im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich ist ein Sensor des Satelliten bzw. Emitter des Satelliten zu seinem Kommunikationspartner auszurichten. Dafür wiederum ist die Lage eines Sensor-Moduls bzw. Emitter-Moduls am Satelliten zu bestimmen, insbesondere gegenüber einem erdfesten oder inertialen Koordinatensystem.
Die Lage des Satelliten bzw. des Sensormoduls oder des Empfängermoduls ist jeweils eine Orientierung, die bevorzugt durch Lagewinkel gegenüber einem Bezugs-Koordinatensystem wie einem erdfesten Koordinatensystem oder einem inertialen Koordinatensystem beschrieben wird. Auch Quaternionen, anstelle von drei Lagewinkeln im Bezug auf kartesische Koordinatensysteme, können zur Vermeidung von Singularitäten bei Koordinatensystem-Transformationsoperationen verwendet werden. Alternativ zum erdfesten Koordinatensystem als Referenzsystem kann beispielsweise ein Koordinatensystem angewendet werden, dessen Ursprung mit einem gedachten Erdmittelpunkt übereinstimmt und sich mit der Erde in ihrer Bahn um die Sonne mitbewegt, nicht jedoch die Eigenrotation der Erde mit Periodendauer von ca. 24 Stunden mitmacht, sondern eine konstante Orientierung relativ zu einem gedachten inertialen Koordinatensystem aufweist.
Zur Bestimmung der aktuellen Lage, d.h. Orientierung des Satelliten, kann ein am Satelliten angeordneter Sternsensor verwendet werden, der in den Weltraum gerichtet ist und die Lage des Satelliten anhand der im Sternsensor sichtbaren bekannten selbstleuchtenden Objekte wie Sterne bestimmt. Ändert sich die Lage des Satelliten, ändert sich auch der Erfassungsbereich des Sternsensors und damit die von ihm erfassten leuchtenden Objekte. Die Messungen durch einen Sternsensor sind jedoch manchmal von einem geringen Signal-zu-Rausch-Verhältnis betroffen, oder brauchbare Sensordaten sind überhaupt nicht verfügbar, beispielsweise wenn der Sternsensor durch eine andere Quelle geblendet wird, wie durch die Sonne oder von der Reflexion des Sonnenlichts an einem anderen Satelliten. Außerdem können zur Bestimmung der aktuellen Lage Satelliten mit inertialen Messeinheiten ausgerüstet sein, insbesondere mit mechanischen Trägheitskreiseln oder Lichtleiterringen.
Alle diese genannten Systeme zur Lagebestimmung werden typischerweise an einem Grundkörper des Satelliten angeordnet, nicht jedoch an einem optischen Sensor-Modul bzw. Emitter-Modul des Satelliten, welches jeweils gegenüber der Trägerstruktur des Satelliten unbekannte Winkel-Abweichungen aufweisen kann. Sternsensoren zusammen mit inertialen Messeinheiten nehmen gewissen Bauraum ein und führen zu hohen Kosten, während zunehmend insbesondere für niedrige Erdumlaufbahnen relativ kleine Satelliten verwendet werden (häufig wegen ihrer Würfelform so genannte „CubeSats“), für die typischerweise kostengünstige und zwangsläufig wenig Bauraum benötigende Sensorsysteme wie Sternsensoren oder inertiale Messeinheiten verwendet werden, deren Mess-Qualität entsprechend nicht optimal ist. Sternsensoren liefern zudem bei hohen Drehraten des Satelliten unter Umständen keine oder keine korrekten Ergebnisse.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lageschätzung eines optischen Moduls an einem Satelliten zum Zwecke der optischen Kommunikation zu verbessern.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Satelliten zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper des Satelliten und gegenüber dem Grundkörper verkippbar angeordneten Moduls, das einen Kommunikations-Sensor zum Empfangen optischer Kommunikationssignale aufweist, aufweisend eine Recheneinheit und den Kommunikations-Sensor und einen Aktor zum Verkippen des Moduls gegenüber dem Grundkörper, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, einen auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus zum Schätzen einer Lage des Moduls auszuführen und für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit einer der Recheneinheit bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender zu verwenden, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper des Satelliten angeordneten Lagesensors zu verwenden, sowie dazu, den Aktor abhängig von einer, zur Initialisierung des Schätzalgorithmus verwendeten und auf Basis der mindestens einen weiteren Datenquelle geschätzten, Lage des Grundkörpers zur Ausführung eines eingegrenzten Suchmusters für den Kommunikations-Sensor anzusteuern.
Das Modul dient als Träger des Kommunikations-Sensors und ist mit dem Grundkörper des Satelliten verbunden. Typischerweise ist im oder am Grundkörper des Satelliten der Lagesensor oder mehrere Lagesensoren angeordnet. Der Begriff Lagesensor ist ein funktionaler, d. h. Zweck der Messdaten ist es, eine Lage des Grundkörpers des Satelliten zu bestimmen; dies heißt nicht, dass zwingend das Signal des Lagesensors unmittelbar Lagewinkel oder Quaternionen enthalten muss. Beispielsweise wird erst durch zeitliche Integration einer Drehratenmessung eine Lage ermittelt. Wie eingangs erläutert, gibt die Lage eine Orientierung an, welche beispielsweise durch Lagewinkel oder Quaternionen gegenüber einem Referenzkoordinatensystem beschrieben werden kann. Das Referenzkoordinatensystem ist bevorzugt ein inertiales Koordinatensystem, oder ein inertiales Koordinatensystem, dessen Ursprung sich mit der Erde im Verlauf um die Sonne mit bewegt, oder welches gedacht zur Sonne körperfest ist.
Während Grundkörper und Modul einteilig ausgeführt werden könnten, wird hier der zweiteilige Fall betrachtet, wobei eine relative Orientierung zwischen Grundkörper und Modul durch einen Aktor einstellbar ist. Insbesondere an einem solchen Drehgelenk kann es zu unbekannten Verdrehungen in angesetzten Koordinatensystemtransformationen zwischen einem zum Modul körperfesten Koordinatensystem und einen zum Grundkörper körperfesten Koordinatensystem kommen. Dann ist, wie weiter unten erläutert, eine möglichst genaue Kalibrierung im Bezug auf die relative Orientierung des Moduls zum Grundkörper zu ermitteln.
Vor diesem Hintergrund sind Lage-Schätzungen des Moduls, welche mittels der Signale des Kommunikations-Sensors selbst ausgeführt werden und Lageschätzungen des Grundkörpers, welche mittels der Signale eines Lagesensors angeordnet am Grundkörper ermittelt werden, in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren, bevorzugt das am Modulkörper gedacht angeordneten Koordinatensystem, um die Lage des Moduls gegenüber dem oben erläuterten Referenzkoordinatensystem ermitteln zu können. Diese Koordinatensystemtransformation wird auf der relativen Orientierung zwischen dem Modul und dem Grundkörper bestimmt.
Analog zur Transformation der Lageschätzungen können auch für die Lageschätzung verwendete Ursprungssignale verwendet werden, wie im Beispiel oben eine Drehrate, die in ein gewünschtes Koordinatensystem transformiert werden kann, um nach der Transformation für die Lageschätzung verwendet zu werden.
Aufgabe der Schätzalgorithmus ist es, als Ergebnis eine jeweils aktuelle Lage des Moduls möglichst realitätsgetreu zu schätzen. Dafür werden mehrere Eingangsgrößen für den Schätzalgorithmus verwendet, die wegen ihrer potenziell sehr heterogenen und unterschiedlichen Natur als Datenquellen bezeichnet werden. Der Schätztalgorithmus ist dabei so ausgelegt, dass er Eingangsgrößen verschiedener Frequenz, von verschiedenen Sensoren oder anderen Quellen, mit unterschiedlichem Signal-zu Rausch-Verhältnis und anderen Unterscheidungsmerkmalen akzeptiert, um daraus eine einzige jeweils aktuelle Schätzung der Lage des Moduls zu erzeugen. Beispielsweise ist der Schätzalgorithmus ein Kalman Filter oder ein erweitertes Kalman Filter.
Die erste Datenquelle entstammt dem Signal des Kommunikations-Sensors selbst. Wenn von einem vom Satelliten weit entfernt gelegenen Sender, beispielsweise ein weiterer Satellit oder eine Bodenstation, ein Lichtstrahl, bevorzugte ein Laserstrahl, zum Satelliten mit der Recheneinheit ausgesendet wird, so kann bei adäquater Lage-Ausrichtung des Satelliten und damit adäquater Ausrichtung des Moduls vom Kommunikations-Sensor des Moduls der Lichtstrahl empfangen werden. Mittels der Betrachtung der Einfallsrichtung des Lichtstrahls relativ zum Modul, insbesondere relativ zum Kommunikations-Sensor des Moduls, kann eine Lage des Moduls ermittelt werden, wenn die relative Position zwischen dem Sender und dem Modul (und damit in guter Näherung des gesamten Satelliten mit dem Modul) der Recheneinheit bekannt ist.
Die erste Datenquelle kann zumindest dann als hochgradig genaue und zuverlässige Datenquelle zur Ermittlung der aktuellen Lage des Moduls verwendet werden, wenn ein entsprechendes Lichtsignal eines Senders am Kommunikations-Sensor einfällt. Die weitere Datenquelle aus Lagesensoren, die am Grundkörper des Satelliten angeordnet sind, wie beispielsweise ein Lagewinkelsensor einer inertialen Messeinheit (auch genannt IMU für „inertial measurement unit“) werden typischerweise selbst in einem eigenen Kalman Filter des Grundkörpers fusioniert, dessen Ergebnisse mit geringerer Frequenz, beispielsweise 2-5 Hz an der Recheneinheit zur Verwendung als Eingangsgröße im Schätzalgorithmus erhalten, während die Daten aus der ersten Datenquelle deutlich höhere Datenraten aufweisen können, beispielsweise 200 Hz.
Ein von einem Sender emittiertes Licht, welches als Lichtstrahl auf den Kommunikations-Sensor trifft, kann in einer Feinkalibrations-Phase informationslos verwendet werden, um damit beispielsweise noch vor der Kommunikationsphase, in der Informationen wie beispielsweise ein Fernsehsignal, Internetdaten oder Ähnliches übertragen werden, lediglich die optimale Ausrichtung des Moduls einzuleiten. Für einen solchen Kalibrier-Lichtstrahl kann beispielsweise eine größere Divergenz als für einen Lichtstrahl mit einer aufgeprägten Information verwendet werden, d. h. dass der Kalibrier-Lichtstrahl einen größeren Aufweitungs-Winkel in seiner Abstrahlcharakteristik aufweist als ein Lichtstrahl mit aufgeprägter Information zur Übertragung eines Datenstroms, da bei erhöhter Divergenz das Auffinden des Lichtstrahls am Kommunikations-Sensor leichter ist.
Die Initialisierung des Schätzalgorithmus ist zuvor jedoch deshalb notwendig, da vor der korrekten optischen Kommunikation des Satelliten (die selbst bereits eine korrekte Lage-Ausrichtung des Kommunikations-Sensors erfordert) lediglich die Daten der weiteren Datenquelle zur Verfügung stehen. Diese können jedoch bereits verwendet werden, um das Suchmuster des Kommunikations-Sensors zur Herstellung der optischen Kommunikation zu erleichtern. Noch bevor daher diese Feinkalibrations-Phase stattfinden kann, sofern diese überhaupt vorgesehen ist, ist jedoch vom Kommunikations-Sensor am Modul ein Suchmuster (= eine rasternd-suchende Orientierungsänderung des Kommunikations-Sensors zum Auffinden des Signals eines Senders) auszuführen. Dies wird konventionell im gesamten möglichen Verfahrbereich des Aktors durchgeführt, kann jedoch bei entsprechender Initialisierung des Schätzalgorithmus mit einer geschätzten Lage, die (bevorzugt ausschließlich) mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle, vorab eingegrenzt werden. Dies erlaubt es vorteilhaft, das Suchmuster deutlich effizienter durchzuführen und schneller eine gewünschte Lage und damit Ausrichtung des Moduls zur korrekten Kommunikation des Kommunikations-Sensor zu erreichen.
Die mittels der Ausführung des Schätzalgorithmus ermittelte Schätzung der jeweils aktuellen Lage des Satelliten, d. h. der Orientierung bevorzugt ausgedrückt durch LageWinkel oder Quaternionen, kann dazu verwendet werden, eine Korrektur der Lage auf eine Soll-Lage des Satelliten zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann ein Regler implementiert werden, der laufend einen Soll-Ist-Abgleich durchführt, um entsprechende Stellgrößen zu bestimmen. Die Stellgrößen sind Kommandos für Aktoren des Satelliten, die dazu ausgeführt sind, bei entsprechender Ansteuerung die Lage des Satelliten zu ändern. Dafür kann beispielsweise zumindest ein Magnettorquer und/oder zumindest ein Reaktionsrad angewendet werden.
Die Anpassung der Lage des Moduls gegenüber dem Grundkörper, und in längeren Zeitskalen des Grundkörpers mit einem Trimmwinkel, wird zur Ausrichtung des Kommunikations-Sensors genutzt, sodass dieser optische Kommunikationssignale von einem Kommunikationspartner in hoher Entfernung zum Satelliten optimal empfangen kann. Der Kommunikations-Sensor ist daher beispielsweise ein optischer Sensor nach dem bekannten Prinzip / der Bauart QPD, PSD, oder CCD. Umfasst das Modul nicht nur einen Kommunikations-Sensor zum Empfangen optischer Kommunikationssignale, sondern auch eine Sendeeinheit zur Emission von optischen Kommunikationssignalen, so ist auch die Abstrahlrichtung auf den Empfänger zu richten, wofür eine exakte Lageausrichtung des Moduls des Satelliten notwendig ist, und für längere Zeiten auch eine exakte Lageausrichtung des Grundkörpers des Satelliten.
Hierzu kann von der Regelung der Orientierung des Moduls gegenüber dem Grundkörper, welche mittels des Aktors eingestellt wird, eine zeitlich im Wesentlichen konstante Winkelabweichung zu einer optimalen Ausrichtung bestimmt werden, und diese Winkelabweichung als gewünschte Orientierungs-Änderung an eine Lageregelung des Grundkörpers übergeben werden. Die höher-frequente Regelung erfolgt dagegen bevorzugt in der Orientierung zwischen dem Modul und dem Grundkörper mittels des Aktors, wodurch effizient ein Taumeln des Satelliten ausgeglichen werden kann.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass durch die Sensorfusion des als ersten Datenquelle gebrauchten Kommunikations-Sensors und eine oder mehrere Datenquelle aus in ihrer Qualität und Datenrate typischerweise deutlich unterlegenen Sensoren des Grundkörpers des Satelliten (beispielsweise Drehratensensor, Sternsensor, ...) alle prinzipiell zur Verfügung stehenden Datenquellen zur Bestimmung der aktuellen Lage des Moduls des Satelliten gegenüber einem vorgegebenen Referenzkoordinatensystem miteinander vereint werden, um eine verbesserte Schätzung der aktuellen Lage des Moduls erhalten zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der zumindest eine am Grundkörper des Satelliten angeordnete Lagesensor zumindest einen aus den folgenden: Drehratensensor und/oder Drehwinkelsensor einer inertialen Messeinheit des Grundkörpers des Satelliten; Sternsensor; Sonnensensor; Horizontsensor; Magnetometer;
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Rate, mit der jeweils neue und aktuelle Daten dem Schätzalgorithmus zugeführt werden, der ersten Datenquelle höher als die der zumindest einen weiteren Datenquelle.
Es kann jedoch auch eine erhöhte Rate für neue aktuelle Daten für den Schätzalgorithmus durch die zumindest eine weitere Datenquelle in einer Kalibrierphase verwendet werden, um möglichst schnell und genau das Lichtsignal des Senders auffinden zu können und das Modul - unter Umständen mitsamt des übrigen Satelliten - in eine optimale Lage zu manövrieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer, für den selben Zeitpunkt und ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten, weiteren Schätzung der Lage auf Abweichung zu vergleichen und aus der Abweichung eine Kalibrierung einer Koordinatensystemtransformation zwischen einem zum Grundkörper oder zu einem am Grundkörper angeordneten Lagesensor körperfesten Koordinatensystem und einem zum Modul oder zum Kommunikations-Sensor körperfesten Koordinatensystem zu ermitteln.
Mittels dieser Ausführungsform kann eine Kalibrierung einer Koordinatensystemtransformation zwischen einem zum Grundkörper körperfesten Koordinatensystem und einem zu Modul körperfesten Koordinatensystem stattfinden. Da der Kommunikations-Sensor am Modul fest angeordnet ist, besteht im Allgemeinen eine unveränderliche Orientierung zwischen dem Kommunikations-Sensor und dem Modul.
Eine am Boden bereits durchgeführte Kalibrierung dieser Koordinatensystemtransformation sollte unveränderlich bestehen bleiben. Die Messungen der Lagesensoren am Grundkörper, die die zumindest eine weitere Datenquelle speisen, und die Messungen des Einfallswinkels des Lichtstrahls eines entfernten Senders am Kommunikations-Sensor können daher durch diese Koordinatensystemtransformation auf ein und dasselbe Koordinatensystem referenziert werden. Ein Bedarf an einer neuen Kalibrierung dieser Koordinatensystemtransformation ergibt sich jedoch insbesondere dann, wenn beim Start einer Trägerrakete mit dem Satelliten Verschiebungen bzw. Versetzungen zwischen Kommunikations-Sensor und Modul und/oder zwischen Modul und Grundkörper und/oder zwischen Grundkörper und einem am Grundkörper angeordneten Lagesensor auftritt. Eine solche Orientierungsänderung kann auch durch Temperaturänderungen, dem Setzen von internen Materialspannungen oder anderen Einflüssen auftreten. Auch wenn als Sensor am Grundkörper ein Magnetometer verwendet wird, kann sich dessen Messung verfälschen, wenn beispielsweise ein Magnettorquer als Aktor zur Lageänderung des Satelliten eingesetzt wird. Ob dabei das eine körperfeste Koordinatensystem am Modul oder am Kommunikations-Sensor des Moduls gedacht angeordnet wird, sowie ob das andere körperfeste Koordinatensystem am Grundkörper oder an einem am Grundkörper angeordneten Lagesensor gedacht angeordnet wird, hängt von erwarteten Fehlerquellen und möglichen Relativbewegungen ab. Dies ist Aufgabe des Konstrukteurs, festzustellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, bei der Ansteuerung des Aktors zur Eingrenzung des Suchmusters des Kommunikations-Sensors eine Lagesteuerung des Grundkörpers unbeeinflusst zu lassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, nach der Initialisierung des Schätzalgorithmus aus der geschätzten Lage des Moduls und abhängig von der relativen Position des Senders zum Satelliten eine Information über einen Trimmwinkel zur Einstellung am Grundkörper an die Lagesteuerung des Grundkörpers zu übermitteln.
Bevorzugt wird hierbei eine Frequenzweiche implementiert, die gewünschte Orientierungs-Änderungen des Kommunikations-Sensors des Satelliten in hohen Frequenzen mittels des Aktors umsetzt, d. h. mittels einer Orientierung-Änderung zwischen dem Modul und dem Grundkörper, während tiefere Frequenzen als Trimmwinkeländerungen auf die Lageregelung des Grundkörpers übertragen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus das Ergebnis einer weiteren Sensorfusion von Signalen mindestens zweier am Grundkörper des Satelliten angeordneter Lagesensoren.
Während die erste Datenquelle an den auftretenden Eintrittswinkel eines am Kommunikations-Sensor empfangenen optischen Signals eines weit entfernten Senders gekoppelt ist, kann für die zumindest eine weitere Datenquelle nicht nur das Ergebnis einer direkten Sensormessung wie durch einen Drehratensensor oder eines direkten Lagewinkelmessers verwendet werden, sondern auch eine aufbereitete Sensormessung wie die Integration von gemessenen Drehraten, eine gefilterte Version eines direkten Sensorsignals (beispielsweise durch einen Tiefpassfilter oder Hochpassfilter oder Bandpassfilter gefiltert), und darüber hinaus auch ein bereits ermittelter Schätzwert als Ergebnis eines Filters wie eines Kalman Filters, der beispielsweise die Signale eines Sternsensors und die zeitlich integrierten Signale eines Drehratensensors miteinander fusioniert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, den Schätzalgorithmus zu initialisieren mit einer ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten Schätzung der Lage des Grundkörpers, und mit dem initialisierten Schätzalgorithmus ein Suchmuster des Kommunikations-Sensors voreinzustellen. Dies ermöglicht es, das Suchmuster mit weniger Sicherheitsfaktoren auszulegen und lässt somit schnellere Suchmuster zu. Außerdem wird damit das Risiko eines Verfehlens eines optischen Kommunikationspartners reduziert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, den Schätzalgorithmus durchgehend während einer Kommunikationsphase des Satelliten auszuführen, unabhängig davon, ob die erste Datenquelle vorliegt da am Kommunikations-Sensor aktuell optische Kommunikationssignale empfangen werden, oder ob die erste Datenquelle nicht vorliegt da der Empfang der optischen Kommunikationssignale unterbrochen ist.
Da der Schätzalgorithmus eine gewisse Trägheit aufweist und dazu tendiert, zur Realität zu konvergieren, kann sich die durchgehende Ausführung des Schätzalgorithmus als vorteilhaft erweisen, wenn die erste Datenquelle oder eine aus der zumindest einen weiteren ausfällt oder unterbrochen wird. Bevorzugt wird jedoch nicht das Ergebnis der Schätzalgorithmus auch zwangsläufig durchgehend verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die Lage des Moduls beim Vorliegen der ersten Datenquelle nur aus der ersten Datenquelle zu ermitteln, und andernfalls das Ergebnis des Schätzalgorithmus als ermittelte Lage zu verwenden.
Diese Ausführungsform wird insbesondere während der Datenübertragung zum Kommunikations-Sensor in der Kommunikationsphase angewendet: Dabei ist unter Umständen nicht sichergestellt, dass durchgehend ein Lichtstrahl mit aufgeprägten Informationen am Kommunikations-Sensor erhalten wird. Der Lichtstrahl kann beispielsweise abgeschaltet sein, wenn aktuell keine zu übertragenden Informationen vorliegen. Fällt ein Lichtstrahl jedoch auf den Kommunikations-Sensor ein, kann dieser zur Lagebestimmung des Moduls verwendet werden. Fällt dieser Lichtstrahl aus, so ist im Gegenzug eine hochwertige Schätzung der Lage des Moduls aus dem Schätzalgorithmus vorhanden, da dieser zuvor aus Sensorfusion aus einer vom Einfallswinkel des Lichtstrahls stammenden Information sowie der zumindest einen weiteren Datenquelle aus einem am Grundkörper angeordneten Sensor eine hochwertige Schätzung ermittelt, und diese wegen der inhärenten Trägheit eines Schätzalgorithmus wie eines Kalman Filters einige Zeit weiter hochwertig aufrechterhalten kann. Dabei wird bevorzugt der Schätzalgorithmus durchgehend ausgeführt, unabhängig davon ob ein Lichtstrahl auf den Kommunikations-Sensor aktuell einfällt oder nicht, es wird lediglich die Verwendung des Ergebnisses der Schätzalgorithmus nur zeitweise ausgeführt. Dies verhindert vorteilhaft Sprünge in der Bestimmung der Lage des Moduls, wie sie beim Wechsel zwischen der Lagebestimmung rein aus den Informationen basierend auf dem Einfallswinkel des Lichtstrahls am Kommunikations-Sensor hin zur alleinigen Lagebestimmung basierend auf den Informationen eines am Grundkörper angeordneten Lagesensors und umgekehrt auftreten können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, den auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus auszuführen, der zum multivariaten Schätzen der jeweiligen Lage mehrerer am und gegenüber dem Satelliten drehbar angeordneter Module mit einem jeweiligen Kommunikations-Sensor konfiguriert ist, und für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender zu verwenden, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper des Satelliten angeordneten Lagesensors zu verwenden, sowie dazu, eine Steuerallokation zum Bestimmen einer Soll-Orientierung des jeweiligen Moduls gegenüber dem Grundkörper durchzuführen.
Zweck der sogenannten Steuerallokation, auch genannt „Control Allocation“, ist es, verschiedene Freiheitsgrade, nämlich die unabhängig voneinander einstellbaren Orientierungen zwischen den Modulen und dem Grundkörper optimal einzustellen. Der Begriff „optimal“ heißt in diesem Zusammenhang insbesondere, dass ein Kompromiss oder, wenn möglich, ein globales Optimum, in der Lageausrichtung des Grundkörpers gefunden wird, sodass mit den verbleibenden Freiheitsgraden zu den Modulen für jedes der Module eine gewünschte Sendefunktion bzw. Empfangsfunktion gewährleistet werden kann. Es entsteht dabei ein Problem, welches beispielsweise durch nichtlineare Optimierung lösbar ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer abgespeicherten Koordinatensystemtransformation zwischen einem Modul eines Satelliten und einem Grundkörper des Satelliten, wobei Modul und Grundkörper fixiert aneinander angeordnet sind und zusammen den Satelliten ausbilden, wobei ein auf Sensorfusion basierender Schätzalgorithmus zum Schätzen der Lage des Moduls ausgeführt wird, wobei für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender verwendet wird, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf dem Signal eines am Grundkörper des Satelliten angeordneten Lagesensors verwendet wird, und wobei zum Kalibrieren der Koordinatensystemtransformation die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten Lage des Moduls verglichen wird.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Vorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper des Satelliten angeordneten Moduls, das einen Kommunikations-Sensor zum Empfangen optischer Kommunikationssignale aufweist, aufweisend das Ausführen eines auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus zum Schätzen einer Lage des Moduls, wobei für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit einer der Recheneinheit bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender verwendet wird, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper des Satelliten angeordneten Lagesensors verwendet wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer, für den selben Zeitpunkt und ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten, weiteren Schätzung der Lage auf Abweichung verglichen und aus der Abweichung wird eine Kalibrierung einer Koordinatensystemtransformation zwischen einem zum Grundkörper oder zu einem am Grundkörper angeordneten Lagesensor körperfesten Koordinatensystem und einem zum Modul oder zum Kommunikations-Sensor körperfesten Koordinatensystem ermittelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Schätzalgorithmus initialisiert mit einer ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten Schätzung der Lage des Grundkörpers, wobei mit dem initialisierten Schätzalgorithmus ein Suchmuster des Kommunikations-Sensors voreingestellt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Schätzalgorithmus durchgehend während einer Kommunikationsphase des Satelliten ausgeführt, unabhängig davon, ob die erste Datenquelle vorliegt da am Kommunikations-Sensor aktuell optische Kommunikationssignale empfangen werden, oder ob die erste Datenquelle nicht vorliegt da der Empfang der optischen Kommunikationssignale unterbrochen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Lage des Moduls beim Vorliegen der ersten Datenquelle nur aus der ersten Datenquelle ermittelt, und andernfalls das Ergebnis des Schätzalgorithmus als ermittelte Lage verwendet.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper des Satelliten angeordneten Moduls ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Vorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: Eine Vorrichtung an einem CubeSat zum Schätzen einer Lage eines Moduls des CubeSats gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2: Eine Vorrichtung an einem CubeSat zum Schätzen einer Lage eines Moduls des CubeSats gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt eine Vorrichtung für einen Satelliten zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper 1 des Satelliten angeordneten Moduls 3. Der Grundkörper ist würfelförmig ausgebildet, daher die Bezeichnung CubeSat für den Satelliten. Die Vorrichtung ist am Modul 3 selbst angeordnet und weist einen Kommunikationssensor 5 zum Empfangen und Senden optischer Kommunikationssignale auf. Außerdem ist am Modul 3 eine Recheneinheit 7 angeordnet. Die Recheneinheit 7 und der Kommunikationssensor 5 sind bereits in der Herstellungsphase in eine gemeinsame Einheit integriert worden. Die Recheneinheit 7 weist implementiert ein Kalman Filter zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage des Moduls 3 auf. Das Kalman Filter ist ein Schätzalgorithmus, um aus verschiedenen Datenquellen eine aktuelle LageSchätzung des Moduls 3 oder des am Modul 3 angeordneten Kommunikationssensors 5 zu erzeugen. Dabei steht eine erste Datenquelle für das Kalman Filter dadurch zur Verfügung, dass der Eintrittswinkel des am Kommunikations-Sensors 5 eintreffenden Lichtstrahls erfasst werden kann und auf Grundlage dessen mit Hilfe einer bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender eine Lage des Kommunikations-Sensors 5, oder wenn die Näherung ausreichend genau ist, die Lage des Moduls 3, ermittelt werden, an dem der Kommunikations-Sensor 5 angeordnet ist. Eine weitere Datenquelle wird durch die Verwendung eines am würfelförmigen Grundkörper 1 des CubeSats angeordneten Lagesensors 9 erhalten, der beispielsweise ein Sternsensor, ein Drehratensensor (dessen Signale zum Erhalt einer Lage zu integrieren sind), oder ein Magnetometer ist. Zunächst wird die optische Kommunikation durch Initialisierung des Schätzalgorithmus und anschließender Suchmuster-gestützten Ausrichtung des Moduls 3 hergestellt. Der Kalman Filter wird mit den IMU Daten des Grundkörpers 1 initialisiert, dementsprechend ein durch den Aktor 6 ausgeführtes Suchmuster zum Bewegen des Kommunikations-Sensors 5 für die Suche nach dem Sender entsprechend eingegrenzt und die optische Kommunikation hergestellt. Auf der Recheneinheit 7 wird außerdem ein Verfahren zum Kalibrieren einer abgespeicherten Koordinatensystemtransformation zwischen dem Modul 3 des Satelliten und dem Grundkörper 1 des Satelliten angewendet. Für das Kalman Filter dient als erste Datenquelle der von einem am Kommunikations-Sensor 5 auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit 7 bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender. Die mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf dem Signal eines am Grundkörper 1 des Satelliten angeordneten Lagesensors wird zudem verwendet. Zum Kalibrieren der Koordinatensystemtransformation wird die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten Lage des Moduls 3 verglichen. Diese Kalibrierung berücksichtigt den Umstand, dass das Modul 3 gegenüber dem Grundkörper 1 des Satelliten einen unbekannten Orientierungsverzug aufweisen kann. Während bereits noch vor dem Start der Trägerrakete mit dem Satelliten zum Transport dessen in eine Umlaufbahn um die Erde und noch am Boden die Orientierung zwischen dem Modul 3 und dem Grundkörper 1 des Satelliten präzise vermessen werden kann, können wegen der beim Start der Trägerrakete auftretenden hohen Beschleunigungen und/oder hoher Temperaturänderungen zwischen dem am Boden gelagerten Satelliten und dem in der Umlaufbahn befindlichen Satelliten Verschiebungen und Setzungen eintreten, sodass eine zuvor korrekt bekannte Orientierung zwischen dem Modul 3 und dem Grundkörper 1 des Satelliten mit dem Einbringen dessen in die Umlaufbahn sowie idealerweise von Zeit zu Zeit über die Produktlebensdauer des Satelliten in der Umlaufbahn neu zu kalibrieren ist, da sich beispielsweise durch sporadischen Betrieb von Magnettorquern oder anderen Subsystemen des Satelliten der magnetische Fluss am Satelliten ändern kann und eine neue Kalibrierung notwendig wird, da davon ein Magnetometer in der Funktion eines Lagesensors des Grundkörpers 1 beeinflusst wird. Die Kalkulation erfolgt bevorzugt durch Berechnung einer Koordinatensystemtransformation zwischen einem zum Modul 3 körperfesten Koordinatensystem und zu einem zum Grundkörper 1 körperfesten Koordinatensystem oder alternativ zu körperfesten Koordinatensystemen, die gedacht an die jeweiligen Lagesensoren 9 fixiert sind. Nur bei genauer Kenntnis der Orientierung zwischen dem Modul 3 und dem Grundkörper 1 des Satelliten (bzw. dem Kommunikations-Sensor 5 und dem jeweiligen Lagesensor 9) kann die eingangs und weiter unten beschriebene Schätzung der aktuellen Lage des Moduls 3 durch den auf der Recheneinheit 7 ausgeführten Schätzalgorithmus korrekt durchgeführt werden, da auch die von dem einen oder mehreren Lagewinkelsensoren 9 des Grundkörpers 1 ermittelten Signale oder fertigen Schätzungen der Lage in das Koordinatensystem des Moduls 3 bzw. des Kommunikations-Sensors 5 zu transformieren sind, um letztendlich die aktuelle Lage des Moduls 3 bzw. des Kommunikations-Sensors 5 ermitteln zu können. Die Kalibrierung wird bevorzugt vor dem Betrieb des Kommunikations-Sensors 5 in der Kommunikationsphase zum Empfang optischer Kommunikationssignale zum Erhalten von Informationen durchgeführt, um noch vor dem regulären Empfang optischer Kommunikationssignale den Satelliten und damit das Modul in eine gewünschte Soll-Lage zu verbringen, um eine optimale Ausrichtung für einen optimalen Signalempfang zu ermöglichen. Wird außerdem am Modul 3 ein Sender vorgesehen, um selbst optische Kommunikationssignale an eine Bodenstation oder an einen weiteren Satelliten zu übertragen, ist ebenfalls die Soll- Lage präzise einzunehmen, um die optischen Kommunikationssignale gerichtet auf den gewünschten Empfänger aussenden zu können. Das Kalman Filter und dessen Lageschätzung des Moduls 3 kann jedoch auch nach dem Kalibrieren verwendet werden, um beispielsweise einen Lagefehler zu einer Soll-Lage auszuregeln, indem das Kalman Filter durchgehend weiter betrieben wird, unabhängig davon, ob eine Datenquelle zeitweise ausfällt, beispielsweise weil ein Sternsensor am Grundkörper 1 geblendet ist und keine brauchbaren Daten liefert, oder weil kein Lichtstrahl auf den Kommunikationssensor 5 einfällt. Es kann auch die aktuelle Lageschätzung dann nur aus der ersten Datenquelle ohne Verwendung des Ergebnisses des Kalman Filters erfolgen, solange ein Lichtstrahl auf den Kommunikationssensor 5 einfällt, und andernfalls auf den durchgehend ausgeführten Kalman Filter zurückgegriffen werden, um dessen Lageschätzung zu verwenden.
2 zeigt eine Variante des Satelliten, dessen Grundkörper 1 dem aus 1 entspricht, welcher einen kleinen würfelförmigen Grundkörper 1 mit einer Kantenlänge von zehn Zentimeter aufweist und aus diesem Grund CubeSat genannt wird. Am Grundkörper 1 der 2 sind jedoch im Gegensatz zu dem aus 1 mehrere Module 3 mit jeweiligen Kommunikationssensoren 5 angeordnet. Da jedoch der Grundkörper 1 nur eine einzige Lage zu einem bestimmten Zeitpunkt einnehmen kann, sind die Module 3 in gewissen Grenzen in ihrer Orientierung gegenüber dem Grundkörper 1 drehbar gelagert. Aufgabe des zumindest einen auf einer Recheneinheit 7 implementierten Kalman Filters als Schätzalgorithmus ist es, sowohl die aktuelle Lage des ersten Moduls 3 als auch des zweiten Moduls 3 sowie die aktuelle Lage des Grundkörpers 1 zu schätzen, um jedes der Module 3 optimal zur Kommunikation mit einem Kommunikationspartner wie einer Bodenstation oder einem anderen Satelliten ausrichten zu können. Als erste Datenquelle wird wiederum ein von einem am Kommunikations-Sensor 5 auftretender Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit 7 bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender verwendet. Eine oder mehrere weitere Datenquellen für den Kalman Filter können aus den am Grundkörper 1 des Satelliten angeordneten Lagesensoren 9 entnommen werden. Eine Steuerallokation zum Bestimmen einer Soll-Orientierung des jeweiligen Moduls 3 gegenüber dem Grundkörper 1 sowie des Grundkörpers 1 selbst wird dann durchgeführt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper des Satelliten
3: Modul des Satelliten
5: Kommunikations-Sensor
6: Aktor
7: Recheneinheit
9: Lagesensor am Grundkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0043800 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung für einen Satelliten zum Schätzen einer jeweils aktuellen Lage eines an einem Grundkörper (1) des Satelliten und gegenüber dem Grundkörper verkippbar angeordneten Moduls (3), das einen Kommunikations-Sensor (5) zum Empfangen optischer Kommunikationssignale aufweist, aufweisend eine Recheneinheit (7) und den Kommunikations-Sensor (5) und einen Aktor (6) zum Verkippen des Moduls (3) gegenüber dem Grundkörper (1), wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, einen auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus zum Schätzen einer Lage des Moduls (3) auszuführen und für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor (5) auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit einer der Recheneinheit (7) bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender zu verwenden, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper (1) des Satelliten angeordneten Lagesensors (9) zu verwenden, sowie dazu, den Aktor (6) abhängig von einer, zur Initialisierung des Schätzalgorithmus verwendeten und auf Basis der mindestens einen weiteren Datenquelle geschätzten, Lage des Grundkörpers (3) zur Ausführung eines eingegrenzten Suchmusters für den Kommunikations-Sensor (5) anzusteuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine am Grundkörper (1) des Satelliten angeordnete Lagesensor (9) zumindest einen aus den folgenden umfasst: Drehratensensor und/oder Drehwinkelsensor einer inertialen Messeinheit des Grundkörpers des Satelliten; Sternsensor; Sonnensensor; Horizontsensor; Magnetometer;
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rate, mit der jeweils neue und aktuelle Daten dem Schätzalgorithmus zugeführt werden, für die erste Datenquelle höher als die der zumindest einen weiteren Datenquelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer, für den selben Zeitpunkt und ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten, weiteren Schätzung der Lage auf Abweichung zu vergleichen und aus der Abweichung eine Kalibrierung einer Koordinatensystemtransformation zwischen einem zum Grundkörper (1) oder zu einem am Grundkörper (1) angeordneten Lagesensor körperfesten Koordinatensystem und einem zum Modul (3) oder zum Kommunikations-Sensor (5) körperfesten Koordinatensystem zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, bei der Ansteuerung des Aktors (6) zur Eingrenzung des Suchmusters des Kommunikations-Sensors (5) eine Lagesteuerung des Grundkörpers (1) unbeeinflusst zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, nach der Initialisierung des Schätzalgorithmus aus der geschätzten Lage des Moduls (3) und abhängig von der relativen Position des Senders zum Satelliten eine Information über einen Trimmwinkel zur Einstellung am Grundkörper (1) an die Lagesteuerung des Grundkörpers (1) zu übermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, den Schätzalgorithmus durchgehend während einer Kommunikationsphase des Satelliten auszuführen, unabhängig davon, ob die erste Datenquelle vorliegt da am Kommunikations-Sensor (5) aktuell optische Kommunikationssignale empfangen werden, oder ob die erste Datenquelle nicht vorliegt da der Empfang der optischen Kommunikationssignale unterbrochen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, die Lage des Moduls (3) beim Vorliegen der ersten Datenquelle nur aus der ersten Datenquelle zu ermitteln, und andernfalls das Ergebnis des Schätzalgorithmus als ermittelte Lage zu verwenden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, den auf Sensorfusion basierenden Schätzalgorithmus auszuführen, der zum multivariaten Schätzen der jeweiligen Lage mehrerer am und gegenüber dem Satelliten verkippbar angeordneter Module (3) mit einem jeweiligen Kommunikations-Sensor (5) konfiguriert ist, und für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor (5) auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit (7) bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender zu verwenden, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf einem Signal eines am Grundkörper (1) des Satelliten angeordneten Lagesensors (9) zu verwenden, sowie dazu, eine Steuerallokation zum Bestimmen einer Soll-Orientierung des jeweiligen Moduls (3) gegenüber dem Grundkörper (1) durchzuführen.
Verfahren zum Kalibrieren einer abgespeicherten Koordinatensystemtransformation zwischen einem Modul (3) eines Satelliten und einem Grundkörper (1) des Satelliten, wobei Modul (3) und Grundkörper (1) fixiert aneinander angeordnet sind und zusammen den Satelliten ausbilden, wobei ein auf Sensorfusion basierender Schätzalgorithmus zum Schätzen der Lage des Moduls (3) ausgeführt wird, wobei für den Schätzalgorithmus als erste Datenquelle ein von einem am Kommunikations-Sensor (5) auftretenden Eintrittswinkel eines vom Satelliten entfernt gelegenen Senders emittierten Lichtstrahls abhängiges Signal in Verbindung mit der der Recheneinheit (7) bekannten relativen Position zwischen dem Satelliten und dem Sender verwendet wird, und mindestens eine weitere Datenquelle für den Schätzalgorithmus basierend auf dem Signal eines am Grundkörper (1) des Satelliten angeordneten Lagesensors verwendet wird, und wobei zum Kalibrieren der Koordinatensystemtransformation die vom Schätzalgorithmus ermittelte Lage mit einer ausschließlich mittels der mindestens einen weiteren Datenquelle ermittelten Lage des Moduls (3) verglichen wird.