Combined earth- /star sensor for attitude and orbit determination of geostationary satellites

Abstract

The subject of this work is a sensor for autonomous attitude and orbit determination of satellites, based on active pixel technology as it has been proposed in the patent on a Combined Earth-/ Star-Sensor System and Method for Determining the Orbit and Position of Spacecraft developed at Daimler-Chrysler (H. Diehl; W. Platz; H. Zinner; E. Gottzein; „Kombinierter Erd-Sternsensor für gleichzeitige Bahn-und Lagebestimmung“). The sensor covers a wide range of applications, ranging from Low Earth-Orbits (LEO) over GEO Transfer-Orbits (GTO) to Geostationary Earth-Orbits (GEO). The system is characterized by two non-collinear lines-of-sight, which are combined by a beam splitter which as well provides attenuation of the Earth's magnitude. Hereby images of a Star-field, perpendicular to the Earth vector, and the Earth are projected on a single focal plane thereby merging the functionalities of a Star-sensor and an Earth-sensor in a single instrument. The use of such a sensor combination facilitates the determination of a satellite's attitude as well as its position relative to the Earth. Goal of this work is the development and evaluation of the algorithms necessary for determination of attitude, position and orbit, the setup of a prototype and a laboratory test-environment for verification of the system's feasibility and performance. Particular support for the system's feasibility in LEO was given by a successful flight experiment of a functional model of the proposed sensor on the Italian technology-satellite MITA. The validation for GEO was performed using images provided by METEOSAT. The flight data is supplemented by field- and laboratory- experiments.

Thema der Arbeit ist ein Sensor zur autonomen Lage- und Bahnbestimmung von Satelliten, der auf der Active Pixel Technologie basiert. Der Einsatzbereich erstreckt sich hierbei von niedrigen Orbits (LEO), über GEO Transfer-Orbits (GTO) bis hin zu geostationären Orbits (GEO). Der Vorschlag zu diesem Ansatz ist in einem Patent der Daimler-Chrysler AG (H. Diehl; W. Platz; H. Zinner; E. Gottzein; „Kombinierter Erd-Sternsensor für gleichzeitige Bahn-und Lagebestimmung“) niedergelegt. Das System charakterisiert sich durch zwei Beobachtungsrichtungen, deren Bilder über einen Strahlteiler auf einem Detektor kombiniert werden. Hierbei wird der Eingang zur Beobachtung der Erde durch einen Filter abgeschwächt, um ihre Helligkeit der der Sterne anzupassen. Durch die Kombination der Beobachtungsrichtungen führt man die Funktionalitäten eines Erd- und eines Stern-Sensors in einem einzigen Gerät zusammen. Diese Kombination ermöglicht sowohl die Bestimmung der inertialen Lage des Satelliten, als auch dessen Position relativ zur Erde. Ziel der Doktorarbeit ist die Entwicklung und Bewertung der zur Lage-, Positions- und Bahnbestimmung benötigten Algorithmen, der Aufbau eines Prototyps und einer Testumgebung zur Verifikation der Funktionalität und der Leistungsgrenzen des Sensors. Die Bewertung der Anwendbarkeit der Algorithmen unter realen Bedingungen wurde für niedrige Orbits insbesondere durch die Auswertung eines Flugexperiments ermöglicht, bei dem ein Funktionsmuster des Sensors zur Rohdatengewinnung als Gastmission auf dem italienischen Technologiesatelliten MITA gestartet wurde. Für die Bewertung der Algorithmen unter den auf geostationären Orbit herrschenden Bedingungen wurden METEOSAT-Daten herangezogen. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden durch weitere Laborexperimente und Messkampagnen gestützt.