Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1489
Main Title: Verbesserung der Richtungsstabilisierung von inertial gesteuerten astronomischen Flugzeugteleskopen am Beispiel von SOFIA
Translated Title: Improvement of the pointing accuracy of inertially controlled airborne astronomical telescopes, based on the example of SOFIA
Author(s): Tucek, Johannes
Advisor(s): Röser, Hans-Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Arbeit beschreibt die Verbesserung der Richtungsstabilisierung des Flugzeugteleskops SOFIA. Das Ziel des Flugzeugteleskops SOFIA sind astronomische Beobachtungen im Infrarotbereich. Da der Wasserdampf der Erdatmosphäre den Großteil der Infrarotstrahlung absorbiert, sind solche Beobachtungen mit herkömmlichen Teleskopen von der Erdoberfläche aus kaum möglich. Um unerwünschte Drehbewegungen des Flugzeugteleskops, z.B. hervorgerufen durch Luftturbulenzen, auszugleichen, ist zuerst eine genaue Messung bzw. Schätzung derselben notwendig. Diese Informationen werden dann mittels Computer in Echtzeit weiterverarbeitet. Anschließend sorgen dann Motoren dafür, das Teleskop wieder in die gewünschte Lage zu drehen. Die Motoren können das Teleskop nur so genau ausrichten, wie es die Genauigkeit des Meßsystems zuläßt. Die Messung der Drehbewegungen geschieht mit drei zueinander senkrecht angeordneten Gyroskopen. Diese weisen jedoch Fehler auf, so daß sich die Ausrichtgenauigkeit verschlechtert. Deshalb werden mit Hilfe einer auf das Teleskop montierten Kamera in regelmäßigen Zeitabständen Bilder des Sternhimmels aufgenommen. Aus diesen Bildern wird dann mit Hilfe der dort sichtbaren Sterne die aktuelle Orientierung des Teleskops bestimmt. Mittels dieser Orientierung werden dann die Fehler der Gyroskope korrigiert und der lineare Fehleranteil für die Zukunft extrapoliert. Dieser Fehler wird dann schon im Voraus vom Teleskoplageregler berücksichtigt. Dadurch wird der quasikonstante Fehleranteil minimiert. Je besser dieser Fehler geschätzt wird, desto geringer ist die Drift des Teleskops um seine Achsen. Dadurch erhöht sich die Richtungsstabilisierung. Der Driftschätzungsalgorithmus wird auf Basis eines Kalmanfilters abgeleitet. Der Nachweis der Funktionstüchtigkeit des Driftschätzers wird anhand von Bodenmessungen erbracht, da SOFIA zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Arbeit noch nicht komplett einsatzbereit war. Hierbei war das notwendige Alignment (Ausrichtung) bzw. die Drehtransformation zwischen den Koordinatensystemen der Meßinstrumente unbekannt. Das Misalignment (Ausrichtungsfehler) bewirkte bei den Messungen einen ebenfalls konstanten Fehler, welcher erheblich größer als die zu schätzende Drift der Gyroskope war. Da sich die beiden konstanten Fehler nicht voneinander trennen lassen, wurde die Funktionstüchtigkeit des Driftschätzers durch Schätzung des Gesamtfehlers nachgewiesen. Das gegenwärtig vorgesehene Konzept für die Driftschätzung beinhaltet die Verwendung von Korrekturparametern eines Startrackers. Da dieser im allgemeinen nur zwei von drei Parametern liefert, welche für die vollständige Beschreibung einer Drehtransformation notwendig sind, ist eine korrekte Driftschätzung nicht möglich. Deshalb wurde ein neues Konzept entwickelt, bei dem ein zusätzlicher Sternsensoralgorithmus (dieser ist nicht Gegenstand dieser Arbeit) verwendet wird. Dieser liefert alle drei notwendigen Parameter zur Beschreibung einer Drehtransformation. Das Prinzip der Driftschätzung wurde mit sehr guten Ergebnissen nachgewiesen. Die Driftschätzung ist sinnvoll zur Bestimmung von Fehlern im Meßsystem, die sich als konstante Winkelgeschwindigkeit auswirken. Mit ihr kann die Richtungsstabilisierung von SOFIA verbessert werden. Auf Basis der Analyse der Meßdaten werden zwei neue Konzepte empfohlen. Beide Konzepte sehen dabei vor, die Ausgaben des Sternsensors nicht nur für die Driftschätzung zu verwenden, sondern auch für die Regelung des Teleskops. Beim ersten Konzept wertet der Sternsensoralgorithmus die Bilder von allen drei Sternkameras aus, anstatt nur von einer. Das zweite Konzept empfiehlt den Einbau neuer, verbesserter Sternkameras mit verringertem Rauschen und einer zehnmal größeren Abtastrate.
This work describes the improvement of the pointing accuracy of the airborne telescope SOFIA. The goals of SOFIA are astronomical observations in the infrared spectrum. With ordinary telescopes on the ground these observations are almost impossible, because atmospheric water vapour absorbs most of the infrared radiation. To compensate for unwanted rotational motion, caused e.g. by air turbulence, it is necessary to measure or estimate this motion first. This information is then processed with computers in real-time. Subsequently motors rotate the telescope to the desired attitude. The precision of this rotation depends on the precision of the measurement system. The measurements of the rotational motions are made by three orthogonally oriented gyroscopes. The latter have errors, which will result in reduction of pointing accuracy. Images of the stars are made in regular time steps with a camera, mounted on the telescope. From the stars, visible on these images, the actual attitude is estimated. With this attitude the errors of the gyroscopes are corrected, and for the future the bias is extrapolated. The extrapolated bias will be compensated in advance by the telescope control algorithm. In this way the quasi-constant error will be minimized. The better this error is estimated, the smaller will be the drift of the telescope around its axes. Thus the pointing accuracy will be better. The drift estimation algorithm is derived from a Kalman filter. The proof of functionality of the drift estimator is made with ground measurements, because at the time of completion of this work SOFIA was not fully ready. During the measurements the necessary alignment between the coordinate systems of the measurement instruments was unknown. This misalignment caused also a constant error, which was considerably greater than the gyro drift to be estimated. Because it is not possible to separate these constant errors, the proof of functionality of the drift estimator was made by estimating the total error. The present concept for the drift estimation uses correction-parameters of a star tracker. Because the latter usually gives only two of three parameters necessary for the complete description of an attitude, correct drift estimation is not possible. Therefore a new concept was developed that uses an additional star sensor (the star sensor itself is not a subject of this work). The star sensor gives all three necessary parameters for the description of an attitude. The excellent results enabled the principle of drift estimation to be proven. The drift estimation is useful for the determination of all kinds of errors in the measurement system, that result in a constant rotation. With this estimation the pointing accuracy of SOFIA can be improved. With the results of the analysis of the measurement data obtained in this work, two new concepts can be recommended. In both concepts the output of the star sensor is not only used for drift estimation, but also for the control of the telescope. In the first concept, the star sensor algorithm analyzes the images of all three star cameras, instead of only one camera. The second concept calls for the installation of new, improved star cameras with less noise and a ten times larger sample rate.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14640
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1786
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1489
Exam Date: 5-Jul-2006
Issue Date: 20-Dec-2006
Date Available: 20-Dec-2006
DDC Class: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Gyroskop
Kalmanfilter
Quaternionen
SOFIA Teleskop
"Kalman filter"
Gyroscope
Quaternions
SOFIA telescope
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