DE102023125978A1 - Attitude estimation of an optical satellite terminal - Google Patents
Attitude estimation of an optical satellite terminal Download PDFInfo
- Publication number
- DE102023125978A1 DE102023125978A1 DE102023125978.4A DE102023125978A DE102023125978A1 DE 102023125978 A1 DE102023125978 A1 DE 102023125978A1 DE 102023125978 A DE102023125978 A DE 102023125978A DE 102023125978 A1 DE102023125978 A1 DE 102023125978A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- satellite
- sensor
- module
- base body
- estimation algorithm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
- H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
- B64G1/361—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors using star sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/244—Spacecraft control systems
- B64G1/245—Attitude control algorithms for spacecraft attitude control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Navigation (AREA)
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. The invention relates to a device for a satellite for estimating a current position of a module (3) arranged on a base body (1) of the satellite, which module has a communication sensor (5) for receiving optical communication signals, comprising a computing unit (7) and an actuator (6) for tilting the module (3) relative to the base body (1) and the communication sensor (5), wherein the computing unit (7) is designed to execute an estimation algorithm based on sensor fusion for estimating a position of the module (3) and to use for the estimation algorithm, as a first data source, a signal dependent on an angle of incidence, occurring at the communication sensor (5), of a light beam emitted by a transmitter located remote from the satellite, in conjunction with a relative position between the satellite and the transmitter known to the computing unit (7), and to use at least one further data source for the estimation algorithm based on a signal from a position sensor (9) arranged on the base body (1) of the satellite.
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.The invention relates to a device for a satellite for estimating a current position of a module arranged on a base body of the satellite, as well as a method for calibrating a stored coordinate system transformation between a module of a satellite and a base body of the satellite.
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.Artificial satellites orbiting the Earth can typically communicate with other satellites or ground stations via radio waves; however, optical communication is increasingly being introduced. In optical communication, light signals are sent from the satellite to the ground station or another satellite, or received from one of them. The light signals serve as information carriers for transmitting a data stream between two satellites, or between a ground station and a satellite.
Die
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.To establish communication to and/or from a satellite using light signals in the visible or invisible range, a satellite sensor or emitter must be aligned with its communication partner. This, in turn, requires determining the position of a sensor module or emitter module on the satellite, particularly relative to an Earth-based or inertial coordinate system.
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.The position of the satellite, sensor module, or receiver module is each an orientation, which is preferably described by attitude angles relative to a reference coordinate system, such as an Earth-fixed coordinate system or an inertial coordinate system. Quaternions, instead of three attitude angles relative to Cartesian coordinate systems, can also be used to avoid singularities in coordinate system transformation operations. As an alternative to the Earth-fixed coordinate system as a reference system, a coordinate system can be used, for example, whose origin coincides with an imaginary Earth center and moves with the Earth in its orbit around the Sun. However, this coordinate system does not participate in the Earth's rotation with a period of approximately 24 hours, but rather has a constant orientation relative to an imaginary inertial coordinate system.
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.To determine the current attitude, i.e., the orientation of the satellite, a star sensor mounted on the satellite can be used. This sensor is directed into space and determines the attitude of the satellite based on the known self-luminous objects such as stars visible to the star sensor. If the attitude of the satellite changes, the detection range of the star sensor also changes, and thus the luminous objects it detects. However, measurements made by a star sensor are sometimes affected by a low signal-to-noise ratio, or usable sensor data is not available at all, for example if the star sensor is blinded by another source, such as the sun or by the reflection of sunlight off another satellite. In addition, satellites can be equipped with inertial measuring units, in particular mechanical inertial gyroscopes or fiber optic rings, to determine the current attitude.
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.All of these attitude determination systems are typically mounted on a satellite's base body, but not on an optical sensor module or emitter module of the satellite, which can each exhibit unknown angular deviations relative to the satellite's support structure. Star sensors combined with inertial measurement units take up a certain amount of space and result in high costs, while relatively small satellites are increasingly being used, particularly for low Earth orbits (often called "CubeSats" due to their cube shape). These typically use cost-effective and inevitably space-saving sensor systems such as star sensors or inertial measurement units, whose measurement quality is correspondingly suboptimal. Furthermore, star sensors may not provide any or accurate results at high satellite rotation rates.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lageschätzung eines optischen Moduls an einem Satelliten zum Zwecke der optischen Kommunikation zu verbessern.The object of the invention is to improve the attitude estimation of an optical module on a satellite for the purpose of optical communication.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further development lations and embodiments are the subject of the dependent claims.
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.A first aspect of the invention relates to a device for a satellite for estimating a current position of a module arranged on a base body of the satellite and tiltable relative to the base body, which module has a communication sensor for receiving optical communication signals, comprising a computing unit and the communication sensor and an actuator for tilting the module relative to the base body, wherein the computing unit is designed to execute an estimation algorithm based on sensor fusion for estimating a position of the module and to use for the estimation algorithm as a first data source a signal dependent on an angle of incidence occurring at the communication sensor of a light beam emitted by a transmitter located remotely from the satellite in conjunction with a relative position between the satellite and the transmitter known to the computing unit, and to use at least one further data source for the estimation algorithm based on a signal from a position sensor arranged on the base body of the satellite, as well as to use the actuator depending on a position of the base body used to initialize the estimation algorithm and estimated on the basis of the at least one further data source to execute a to control a limited search pattern for the communication sensor.
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.The module serves as a carrier for the communication sensor and is connected to the satellite's main body. Typically, the attitude sensor or several attitude sensors are arranged in or on the satellite's main body. The term attitude sensor is functional, i.e., the purpose of the measured data is to determine the attitude of the satellite's main body; this does not mean that the attitude sensor signal must necessarily contain attitude angles or quaternions. For example, a position is only determined through the temporal integration of a yaw rate measurement. As explained at the beginning, the attitude indicates an orientation, which can be described, for example, by attitude angles or quaternions relative to a reference coordinate system. The reference coordinate system is preferably an inertial coordinate system, or an inertial coordinate system whose origin moves with the Earth as it orbits the sun, or which is assumed to be fixed to the sun.
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.While the base body and module could be constructed as a single piece, the two-piece case is considered here, where the relative orientation between the base body and the module can be adjusted using an actuator. In particular, at such a pivot joint, unknown rotations can occur in applied coordinate system transformations between a coordinate system fixed to the body of the module and a coordinate system fixed to the base body. In this case, as explained below, the most accurate calibration possible with respect to the relative orientation of the module to the base body must be determined.
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.Against this background, position estimates of the module, which are performed using the signals from the communication sensor itself, and position estimates of the base body, which are determined using the signals from a position sensor arranged on the base body, must be transformed into a common coordinate system, preferably the coordinate system imaginarily arranged on the module body, in order to be able to determine the position of the module relative to the reference coordinate system explained above. This coordinate system transformation is determined based on the relative orientation between the module and the base body.
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.Analogous to the transformation of the attitude estimates, original signals used for the attitude estimation can also be used, such as a rotation rate in the example above, which can be transformed into a desired coordinate system to be used for the attitude estimation after the transformation.
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.The estimation algorithm's task is to estimate the current position of the module as realistically as possible. To achieve this, the estimation algorithm uses multiple input variables, referred to as data sources due to their potentially highly heterogeneous and diverse nature. The estimation algorithm is designed to accept input variables of different frequencies, from different sensors or other sources, with different signal-to-noise ratios, and other distinguishing features, in order to generate a single, current estimate of the module's position. For example, the estimation algorithm is a Kalman filter or an extended 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.The first data source comes from the signal of the communication sensor itself. If a light beam, preferably a laser beam, is transmitted from a transmitter located far away from the satellite, for example another satellite or a ground station, to the satellite with the processing unit, the light beam can be received by the module's communication sensor if the satellite is properly aligned and thus the module is properly aligned. By observing the direction of incidence of the light beam relative to the module, in particular relative to the communication communication sensor of the module, the position of the module can be determined if the relative position between the transmitter and the module (and thus, to a good approximation, the entire satellite with the module) is known to the computing unit.
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.The first data source can be used as a highly accurate and reliable data source for determining the module's current attitude, at least when a corresponding light signal from a transmitter is received at the communication sensor. The additional data source from attitude sensors arranged on the satellite's main body, such as an attitude angle sensor of an inertial measurement unit (IMU), is typically fused in its own Kalman filter on the main body, the results of which are received at a lower frequency, for example, 2-5 Hz, by the computing unit for use as an input in the estimation algorithm, while the data from the first data source can have significantly higher data rates, for example, 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.Light emitted by a transmitter, which strikes the communication sensor as a light beam, can be used without information in a fine calibration phase, for example, to simply initiate the optimal alignment of the module before the communication phase, in which information such as a television signal, internet data, or similar is transmitted. For such a calibration light beam, for example, a greater divergence can be used than for a light beam with imprinted information, i.e., the calibration light beam has a larger expansion angle in its radiation characteristic than a light beam with imprinted information for transmitting a data stream, since locating the light beam at the communication sensor is easier with increased divergence.
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.However, the estimation algorithm must be initialized beforehand because, prior to correct optical communication from the satellite (which itself requires correct position alignment of the communication sensor), only the data from the additional data source is available. However, this data can already be used to facilitate the search pattern of the communication sensor to establish optical communication. Therefore, even before this fine calibration phase can take place, if it is even planned, the communication sensor must execute a search pattern on the module (= a scanning, searching change in the orientation of the communication sensor to locate a transmitter signal). This is conventionally performed across the entire possible travel range of the actuator, but can be limited in advance with appropriate initialization of the estimation algorithm with an estimated position obtained (preferably exclusively) from the at least one additional data source. This advantageously allows the search pattern to be performed much more efficiently and the desired position and thus alignment of the module for correct communication from the communication sensor to be achieved more quickly.
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.The estimate of the current attitude of the satellite, i.e., the orientation preferably expressed as attitude angles or quaternions, determined by executing the estimation algorithm can be used to determine a correction of the attitude to a target attitude of the satellite. For this purpose, a controller can be implemented that continuously performs a target-actual comparison to determine corresponding control variables. The control variables are commands for the satellite's actuators, which are designed to change the attitude of the satellite when appropriately controlled. For this purpose, at least one magnetic torquer and/or at least one reaction wheel can be used.
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.The adjustment of the module's position relative to the base body, and on longer timescales of the base body with a trim angle, is used to align the communication sensor so that it can optimally receive optical communication signals from a communication partner at a great distance from the satellite. The communication sensor is therefore, for example, an optical sensor based on the well-known principle/design of QPD, PSD, or CCD. If the module includes not only a communication sensor for receiving optical communication signals, but also a transmitter unit for emitting optical communication signals, the radiation direction must also be directed towards the receiver, which requires precise alignment of the satellite module and, for longer periods, also precise alignment of the satellite base body.
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.For this purpose, the control of the module's orientation relative to the base body, which is adjusted by the actuator, can determine a temporally essentially constant angular deviation to an optimal alignment, and this angular deviation can be transferred as the desired orientation change to a position control of the base body. The higher-frequency control, on the other hand, is preferably carried out in the orientation between the module and the base body by means of the actuator, which can efficiently compensate for any wobble of the satellite.
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.It is an advantageous effect of the invention that, through the sensor fusion of the communication sensor used as the first data source and one or more data sources from sensors of the main body of the satellite that are typically significantly inferior in quality and data rate (for example yaw rate sensor, star sensor, ...), all data sources that are in principle available for determining the current position of the module of the satellite relative to a predetermined reference coordinate system are combined in order to be able to obtain an improved estimate of the current position of the module.
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;According to an advantageous embodiment, the at least one position sensor arranged on the main body of the satellite comprises at least one of the following: angular rate sensor and/or angle of rotation sensor of an inertial measuring unit of the main body of the satellite; star sensor; sun sensor; horizon sensor; 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.According to a further advantageous embodiment, the rate at which new and current data are fed to the estimation algorithm is higher for the first data source than for the at least one further data source.
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.However, an increased rate for new current data can also be used for the estimation algorithm by at least one additional data source in a calibration phase in order to be able to locate the light signal of the transmitter as quickly and accurately as possible and to maneuver the module - possibly together with the rest of the satellite - into an optimal position.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to compare the position determined by the estimation algorithm with a further estimate of the position determined for the same time and exclusively by means of the at least one further data source for deviation and to determine from the deviation a calibration of a coordinate system transformation between a coordinate system fixed to the base body or to a position sensor arranged on the base body and a coordinate system fixed to the module or to the communication sensor.
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. Using this embodiment, a calibration of a coordinate system transformation can be performed between a coordinate system fixed to the base body and a coordinate system fixed to the module. Since the communication sensor is fixedly mounted on the module, there is generally a fixed orientation between the communication sensor and the module.
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.A calibration of this coordinate system transformation already performed on the ground should remain unchanged. The measurements of the attitude sensors on the base body, which feed at least one additional data source, and the measurements of the angle of incidence of the light beam from a remote transmitter on the communication sensor can therefore be referenced to one and the same coordinate system through this coordinate system transformation. However, a need for a new calibration of this coordinate system transformation arises in particular when, during the launch of a launch vehicle with the satellite, displacements or offsets occur between the communication sensor and the module and/or between the module and the base body and/or between the base body and an attitude sensor arranged on the base body. Such a change in orientation can also occur due to temperature changes, the development of internal material stresses, or other influences. Even if a magnetometer is used as the sensor on the base body, its measurements can be distorted if, for example, a magnetic torquer is used as an actuator to change the attitude of the satellite. Whether one body-fixed coordinate system is positioned on the module or on the module's communication sensor, and whether the other body-fixed coordinate system is positioned on the base body or on a position sensor located on the base body, depends on expected error sources and possible relative movements. This is the designer's responsibility to determine.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to leave a position control of the base body unaffected when controlling the actuator to limit the search pattern of the communication sensor.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to transmit information about a trim angle for adjustment on the base body to the attitude control of the base body after initialization of the estimation algorithm from the estimated position of the module and depending on the relative position of the transmitter to the satellite.
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. Preferably, a crossover is implemented which converts desired orientation changes of the satellite's communication sensor at high frequencies by means of the actuator, i.e. by means of an orientation change between the module and the base body, while lower frequencies are transmitted as trim angle changes to the attitude control of the base body.
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.According to a further advantageous embodiment, the at least one further data source for the estimation algorithm is the result of a further sensor fusion of signals from at least two attitude sensors arranged on the main body of the satellite.
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.While the first data source is coupled to the occurring angle of incidence of an optical signal from a distant transmitter received at the communication sensor, for the at least one further data source not only the result of a direct sensor measurement such as by a yaw rate sensor or a direct attitude angle meter can be used, but also a processed sensor measurement such as the integration of measured yaw rates, a filtered version of a direct sensor signal (for example filtered by a low-pass filter or high-pass filter or band-pass filter), and in addition also an already determined estimated value as a result of a filter such as a Kalman filter, which for example fuses the signals of a star sensor and the time-integrated signals of a yaw rate sensor.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to initialize the estimation algorithm with an estimate of the position of the base body determined exclusively using the at least one additional data source, and to preset a search pattern of the communication sensor using the initialized estimation algorithm. This allows the search pattern to be designed with fewer safety factors and thus allows for faster search patterns. Furthermore, the risk of missing an optical communication partner is reduced.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to execute the estimation algorithm continuously during a communication phase of the satellite, regardless of whether the first data source is present because optical communication signals are currently being received at the communication sensor, or whether the first data source is not present because the reception of the optical communication signals is interrupted.
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.Because the estimation algorithm exhibits a certain inertia and tends to converge to reality, continuous execution of the estimation algorithm may prove advantageous if the first data source or at least one of the other fails or is interrupted. However, the estimation algorithm's result is not necessarily used continuously.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to determine the position of the module only from the first data source when the first data source is present, and otherwise to use the result of the estimation algorithm as the determined position.
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.This embodiment is used in particular during data transmission to the communication sensor in the communication phase: Under certain circumstances, it cannot be guaranteed that a light beam with imprinted information is continuously received at the communication sensor. The light beam can, for example, be switched off if there is currently no information to be transmitted. However, if a light beam falls on the communication sensor, it can be used to determine the position of the module. If this light beam fails, a high-quality estimate of the module's position is available from the estimation algorithm, since this algorithm previously determines a high-quality estimate from sensor fusion using information originating from the angle of incidence of the light beam and the at least one additional data source from a sensor arranged on the base body. Due to the inherent inertia of an estimation algorithm such as a Kalman filter, it can maintain this high-quality estimate for some time. The estimation algorithm is preferably executed continuously, regardless of whether a light beam is currently falling on the communication sensor or not; the use of the estimation algorithm's result is only carried out temporarily. This advantageously prevents jumps in the determination of the position of the module, such as can occur when switching between the position determination purely from the information based on the angle of incidence of the light beam at the communication sensor to the position determination based solely on the information of a position sensor arranged on the base body and vice versa.
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.According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to execute the estimation algorithm based on sensor fusion, which is configured for the multivariate estimation of the respective position of several modules arranged rotatably on and relative to the satellite, each having a respective communication sensor, and to use for the estimation algorithm as a first data source a signal dependent on an angle of incidence of a light beam emitted by a transmitter located remote from the satellite, occurring at the communication sensor, in conjunction with the relative position between the satellite and the transmitter known to the computing unit, and to use at least one further data source for the estimation algorithm based on a signal from a module arranged on the main body of the satellite position sensor, as well as to carry out a control allocation to determine a target orientation of the respective module relative to the base body.
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.The purpose of control allocation is to optimally adjust various degrees of freedom, namely the independently adjustable orientations between the modules and the base body. The term "optimal" in this context specifically means finding a compromise or, if possible, a global optimum in the orientation of the base body, so that the remaining degrees of freedom to the modules can ensure a desired transmit or receive function for each of the modules. This creates a problem that can be solved, for example, through nonlinear optimization.
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.A further aspect of the invention relates to a method for calibrating a stored coordinate system transformation between a module of a satellite and a base body of the satellite, wherein the module and base body are arranged fixedly to one another and together form the satellite, wherein an estimation algorithm based on sensor fusion is executed to estimate the position of the module, wherein a signal dependent on an angle of incidence occurring at the communication sensor of a light beam emitted by a transmitter located remote from the satellite is used as the first data source for the estimation algorithm, in conjunction with the relative position between the satellite and the transmitter known to the computing unit, and at least one further data source is used for the estimation algorithm based on the signal of an attitude sensor arranged on the base body of the satellite, and wherein, for calibrating the coordinate system transformation, the position determined by the estimation algorithm is compared with a position of the module determined exclusively by means of the at least one further data source.
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.Advantages and preferred developments of the proposed method result from an analogous and analogous transfer of the statements made above in connection with the proposed device.
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.A further aspect of the invention relates to a method for estimating a respective current position of a module arranged on a base body of the satellite, which module has a communication sensor for receiving optical communication signals, comprising executing an estimation algorithm based on sensor fusion for estimating a position of the module, wherein a signal dependent on an angle of incidence of a light beam emitted by a transmitter located remote from the satellite occurring at the communication sensor is used as a first data source for the estimation algorithm in conjunction with a relative position between the satellite and the transmitter known to the computing unit, and at least one further data source is used for the estimation algorithm based on a signal from a position sensor arranged on the base body of the satellite.
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.According to a further advantageous embodiment, the position determined by the estimation algorithm is compared for deviation with a further estimate of the position determined for the same time and exclusively by means of the at least one further data source, and from the deviation a calibration of a coordinate system transformation between a coordinate system fixed to the base body or to a position sensor arranged on the base body and a coordinate system fixed to the module or to the communication sensor is determined.
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.According to a further advantageous embodiment, the estimation algorithm is initialized with an estimate of the position of the base body determined exclusively by means of the at least one further data source, wherein a search pattern of the communication sensor is preset with the initialized estimation algorithm.
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.According to a further advantageous embodiment, the estimation algorithm is executed continuously during a communication phase of the satellite, regardless of whether the first data source is present because optical communication signals are currently being received at the communication sensor, or whether the first data source is not present because the reception of the optical communication signals is interrupted.
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. According to a further advantageous embodiment, the position of the module is determined only from the first data source when the first data source is present, and otherwise the result of the estimation algorithm is used as the determined position.
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.Advantages and preferred developments of the proposed method for estimating a current position of a module arranged on a base body of the satellite result from an analogous and analogous transfer of the statements made above in connection with the proposed device.
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.Further advantages, features and details emerge from the following description, in which - where appropriate with reference to the drawings tion - at least one embodiment is described in detail. Identical, similar, and/or functionally equivalent parts are provided with the same reference numerals.
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.
-
1 : A device on a CubeSat for estimating a position of a module of the CubeSat according to an embodiment of the invention. -
2 : A device on a CubeSat for estimating a position of a module of the CubeSat according to another embodiment of the invention.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.The representations in the figures are schematic and not to scale.
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.Although the invention has been illustrated and explained in detail by means of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exist. It is also clear that embodiments mentioned by way of example really only represent examples that are not to be understood in any way as limiting the scope of protection, possible applications, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and the description of the figures enable those skilled in the art to specifically implement the exemplary embodiments. The skilled person, with knowledge of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example with regard to the function or the arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, without departing from the scope of protection defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanations in the description.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Grundkörper des SatellitenMain body of the satellite
- 33
- Modul des SatellitenSatellite module
- 55
- Kommunikations-SensorCommunication sensor
- 66
- AktorActuator
- 77
- RecheneinheitComputing unit
- 99
- Lagesensor am GrundkörperPosition sensor on the base body
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2016/0043800 A1 [0003]US 2016/0043800 A1 [0003]
Claims (10)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023125978.4A DE102023125978A1 (en) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | Attitude estimation of an optical satellite terminal |
| PCT/EP2024/076597 WO2025068086A1 (en) | 2023-09-26 | 2024-09-23 | Position estimation of an optical satellite terminal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023125978.4A DE102023125978A1 (en) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | Attitude estimation of an optical satellite terminal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023125978A1 true DE102023125978A1 (en) | 2025-03-27 |
Family
ID=92900056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023125978.4A Pending DE102023125978A1 (en) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | Attitude estimation of an optical satellite terminal |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102023125978A1 (en) |
| WO (1) | WO2025068086A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1121605B1 (en) * | 1998-10-15 | 2003-08-20 | Astrium GmbH | Method and device for determining the position of communication satellites |
| US20160043800A1 (en) | 2014-08-05 | 2016-02-11 | Ryan Wallace KINGSBURY | Design of a free-space optical communication module for small satellites |
| DE102017102481A1 (en) * | 2017-02-08 | 2018-08-09 | Klaus Schilling | Formable miniature satellite and formation of several small satellites |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6142423A (en) * | 1999-06-29 | 2000-11-07 | Trw Inc. | Ephemeris/attitude reference determination using on-board optics and other satellite ephemeris |
| US6732977B1 (en) * | 2002-02-11 | 2004-05-11 | Lockheed Martin Corporation | System for on-orbit correction of spacecraft payload pointing errors |
| US7877173B2 (en) * | 2007-07-05 | 2011-01-25 | The Boeing Company | Method and apparatus for determining a satellite attitude using crosslink reference signals |
| CN115290118B (en) * | 2022-06-29 | 2024-08-30 | 西安空间无线电技术研究所 | A pointing error correction method for satellite laser communication system based on star sensor |
-
2023
- 2023-09-26 DE DE102023125978.4A patent/DE102023125978A1/en active Pending
-
2024
- 2024-09-23 WO PCT/EP2024/076597 patent/WO2025068086A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1121605B1 (en) * | 1998-10-15 | 2003-08-20 | Astrium GmbH | Method and device for determining the position of communication satellites |
| US20160043800A1 (en) | 2014-08-05 | 2016-02-11 | Ryan Wallace KINGSBURY | Design of a free-space optical communication module for small satellites |
| DE102017102481A1 (en) * | 2017-02-08 | 2018-08-09 | Klaus Schilling | Formable miniature satellite and formation of several small satellites |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025068086A1 (en) | 2025-04-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE60124442T2 (en) | Detection techniques for optical satellite communications | |
| DE69604722T2 (en) | Position control and navigation system for high-resolution image reproduction | |
| DE69510383T2 (en) | Control system for gimbal suspension | |
| EP1563312B1 (en) | Measuring and stabilising system for machine-controllable vehicles | |
| DE60033366T2 (en) | Acquisition technique of the optical beam in satellite communication with multiple sampling patterns | |
| DE68918959T2 (en) | Multiple access transmission system. | |
| EP0847149B1 (en) | Device and method for aligning an optical emitter and receiver beam in satellite connections | |
| DE4243395C2 (en) | Arrangement for coordinated positioning of a geostationary swarm of satellites | |
| DE69603040T2 (en) | System and method for correcting the heading errors for a spacecraft antenna | |
| DE69707327T2 (en) | Uniaxial correction for web inclination | |
| WO2012140189A1 (en) | Measuring system and method for determining new points | |
| DE102014018278B4 (en) | Determination of the rotational position of a sensor by means of a laser beam emitted by a satellite | |
| EP1371931B1 (en) | Method and device for determining an angular error and use thereof | |
| DE60008845T2 (en) | Combined roll-yaw spacecraft control method for balancing a low orbit | |
| EP1094002A2 (en) | Satellite control system and method | |
| DE60315107T2 (en) | Stabilization system for two antennas | |
| EP1242829A2 (en) | Mobile system and method for characterizing radiation fields outdoors in an extensive and precise manner | |
| EP1121605B1 (en) | Method and device for determining the position of communication satellites | |
| DE2124634A1 (en) | AIRCRAFT CONTROL SYSTEM | |
| DE102023125978A1 (en) | Attitude estimation of an optical satellite terminal | |
| DE102023005476B4 (en) | Satellite device and method for imaging space objects | |
| WO2009003451A1 (en) | Control of master/slave satellite constellations | |
| DE3888132T2 (en) | Stabilizing inertia system for the angle of inclination of orientable components and telescopic mirror connected with this system. | |
| DE4405644A1 (en) | Method and device for the alignment and stabilisation of antennas for satellite data reception | |
| DE102022124389B3 (en) | Communication unit for a mobile carrier platform, satellite, and method for calibrating the orientation of a communication unit in a mobile carrier platform |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication |
