Präzise Orbitbestimmung

Modul "Präzise Orbitbestimmung"

Name des Studiengangs / Abschluss:
Luft- und Raumfahrttechnik (M.Sc.)
Mathematical Engineering (M. Sc.)
 
Modultyp:
Wahl
 
Modulverantwortliche/r:
Mag. rer. nat. Dr. techn. Thomas Pany
 
Modulnummer:
1202
 

Qualifikationsziele:

  • Die Studierenden verstehen die Anforderungen, die an einen GNSS-Navigationsempfänger für Raumfahrzeuge (Satelliten, ISS) gestellt werden (Genauigkeit, Anwendungsprofile, Gewicht, Stromverbrauch, Zertifizierung, ...)

  • Sie verstehen, wie sich dieser spezielle Empfänger von einem herkömmlichen GNSS-Empfänger unterscheidet (geringe Sichtbarkeit von GNSS-Satelliten, geringe Signalleistung, hohe Bewegungsdynamik, hohe Prädizierbarkeit der Bewegung).

  • Sie sind in der Lage ein „precise orbit determination (POD)“-Modul in MATLAB oder C++ zu implementieren und es über eine C-Schnittstelle mit einem kommerziellen Softwareempfänger in Betrieb zu nehmen und an einem HF-GNSS-Signalgenerator zu testen.

Inhalte:

Eine Vielzahl von Raumfahrtmissionen (ca. 50 pro Jahr) benötigt eine hochgenaue Bahnbestimmung, wie sie mittels GNSS (d.h. dem amerikanischen GPS, dem europäischen Galileo, dem russischem GLONASS oder dem chinesischem Beidou) zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Missionen schließen Fernerkundungssatelliten, Navigationssatelliten, Messungen des Erdschwerefeldes, Rendezvous&Docking-Manöver oder Konstellationsflüge mit ein. Auch die Nutzung von GNSS zur Navigation zum und am Mond ist Gegenstand aktiver Forschung.

GNSS ist in diesem Bereich der Raumfahrt eine Zukunftstechnologie, da es die Möglichkeit liefert eine präzise Position zu bestimmen und zusätzlich vergleichsweise kostengünstig ist. Jedoch unterscheiden sich die Anforderungen an den GNSS-Empfänger in der Raumfahrt teilweise grundlegend von jenen an herkömmliche Empfänger (zB. KFZ-Navi). Zum einen sind die Anforderungen an den Formfaktor, Gewicht und Stromverbrauch zu nennen sowie auch die Strahlungsrobustheit. Zum anderen unterscheiden sich die empfangenen Signale durch die teilweise geringe Signalleistung, die hohe Signaldynamik und die schlechte Sichtbarkeit der GNSS-Satelliten.

Das Kernelement eines Satelliten-GNSS-Empfängers ist es, die gute Vorhersagbarkeit der Bewegung im Weltall (die im wesentlichen durch Keplerbahnen gegeben ist) in die Signalverarbeitung zu integrieren.

Zu Beginn sollen die notwendigen Grundlagen der Bewegung im All wiederholt werden. Das dient in einem ersten Schritt dazu die Sichtbarkeiten der GNSS-Satelliten vom Raumfahrzeug aus zu berechnen und die Signalakquisition (grobe Synchronisation) zu beschleunigen. Ein weiteres Kernelement ist ein Kalmanfilter, dessen Zustandsvektor die Keplerparameter des Raumfahrtzeugs enthält. Dieser Kalmanfilter wird mit Pseudostreckenmessungen und Dopplermessungen bedient. Eine Rückführung in den GNSS-Empfänger erlaubt es auch schwachen GNSS-Signalen zu folgen (“Vector-Tracking”), was die Anzahl der verfügbaren GNSS-Satelliten erhöht, sodass auch überhalb der GNSS-Satelliten (d.h. in einer Höhe > 25000 km) genügend Messungen vorhanden sind, um eine präzise Orbitbestimmung vorzunehmen.

Durch eine Mischung aus Übung und Vorlesung soll das Gelernte unmittelbar umgesetzt werden und damit das Wie und Warum der einzelnen Schritte klargemacht werden. Die Studenten erhalten dadurch Praxis im Umgang in einem komplexen technischen Umfeld der Navigation und Signalverarbeitung.

Es ist das Ziel der Vorlesung und Übung einen existierenden kommerziellen Softwareempfänger um ein solches Modul zu erweitern. Im Rahmen eines Programmierprojektes wird von jedem Studenten ein Programmiermodul in Matlab und/oder C++ erstellt und an den Empfänger angebunden.

Literatur:
• O. Montenbruck und E. Gill: "Satellite Orbits: Models, Methods,           Applications", Springer, 2005.
• Pany, T. et al.: „SX-NSR Scientific Navigation Software Receiver“, http://www.ifen.com/sx-nsr
 
Modulbestandteile:
Lehrveranstaltungstitel Lehrform Typ der LV TWS
Präzise Orbitbestimmung Vorlesung Pflicht 2
Präzise Orbitbestimmung Übung Pflicht 1

 

Die Vorlesung und Übung findet integriert und geblockt statt. Es ist ein Block zu 3 Stunden am Beginn geplant, dann 2 Blöcke zu je 2x6 Stunden an zwei aufeinanderfolgenden Tagen und 1 Block zu 3 Stunden zum Abschluss. Die genauen Termine werden in Abstimmung mit den Studenten im ersten Block vereinbart. Die Arbeiten finden entweder auf Laptops der Studenten oder im EDV-Labor statt. Tests der entwickelnden Module könne am Institut LRT9.3 stattfinden. Für weitere Rückfragen bitte Mail an t.pany(at)ifen.com.

 
Voraussetzung für die Teilnehmer:
Vorausgesetzt werden Kenntnisse in höherer Mathematik, der Regelungstechnik sowie der Besuch des Moduls Satellitennavigation und Weltraumphysik.
 
Verwendbarkeit:
Abgesehen von der Einführung in ein spezifisches Problem der Raumfahrt, erhöhen die Studierenden ihr Verständnis komplexer technischer Probleme, die eine extrem hohe Zuverlässigkeit und Autonomie verlangen sowie ihre Praxis im System-Engineering und in der Programmierung.
 
Durchschnittlicher studentischer Arbeitsaufwand (workload):
Bestandteil Wochen h/Woche workload ECTS-LP
Vorlesung     20  
Übung     10  
Projektarbeit     54  
Gesamt     84 3
 
Leistungsnachweis und Benotung des Moduls:

Die Ergebnisse des Programmierprojektes werden im Rahmen eines 60-minütigen Kolloquiums mit einem Notenschein bewertet.

Dauer des Moduls, Häufigkeit des Angebots:
Das Modul dauert 1 Trimester.
Das Modul beginnt jedes Studienjahr jeweils im Herbsttrimester.
Als Startzeitpunkt ist das Herbsttrimester im 2. Studienjahr vorgesehen.