Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1592
Main Title: Fehlerminimale Navigation lunarer Raumfahrzeuge
Translated Title: Precise Navigation for Lunar Spacecraft
Author(s): Weischede, Frank
Advisor(s): Brieß, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der Mond wird vor dem Hintergrund aller mit der zukünftigen Deep Space Erkundung verbundenen Zielsetzungen in nationalem und internationalem Rahmen als nächster Himmelskörper erkundet werden. Um ihn zu erforschen und wirtschaftlich nutzbar machen, müssen die Raumflüge dorthin ebenso wie erdnahe Raumflüge präzise navigiert werden können. Die Bahnbestimmung lunarer Raumfahrzeuge, die bisher technologisch nur auf erdbasierte Radiometriemethoden zurückgreift, ist zentrales Thema dieser Arbeit. Über die Modellentwicklung für die Erstellung des Basisprogramms DEEPEST für Deep Space Bahnbestimmung hin zum am DLR/GSOC in 1998 europaweit erstmalig durchgeführten 3-Wege-Doppler-Trackingexperiment eines Mondorbiters – des Lunar Prospector – führt der Grundlagenteil dieser Arbeit in die Thematik ein. Die sequentielle Bahnbestimmung mit Lunar Prospector Trackingdaten schafft dabei zunächst Aufschluss über die Bedeutung der Beobachtbarkeit und Dynamikmodellierung derartiger Satellitenorbits. Im darauf aufbauenden Teil, für den eine Erweiterung der Softwarebibliothek auf Trackingnetzwerke vorbereitet wurde, stehen Berechnungsbeispiele aus einer möglichen Entwicklung geometrisch günstiger Radiometrienetzwerke im lunaren und cis-lunaren Raumsegment im Vordergrund. Die Realbahnbestimmungen von Lunar Prospector zeigen exemplarisch die für lunare Orbiter dominanten Bahnberechnungsfehler auf, die durch ein unvollkommen bestimmtes Gravitationsfeld-modell für den Mond verursacht werden. Obwohl das vom JPL der NASA aus Lunar Prospector Trackingdaten gewonnene Gravitationsmodell bereits 1998/1999 mit einer bis heute unübertroffenen Güte generiert wurde, steht ein dem Erde-Mond-System immanentes Problem einer weiteren bedeutenden Verbesserung durch konventionelles Satellitentracking entgegen: Die Eigenschaft der gebundenen Rotation des Mondes sorgt für eine jederzeit von der Erde aus unsichtbare Mondrückseite, was eine wiederholte Unterbrechung der direkten (Radio-)Verbindung zu Mondsatelliten zur Folge hat und so die globale Erfassung von Radiomessdaten behindert. Nun soll erstmals die japanische Raumflugmission SELENE unter Verwendung des Relaistrackings Abhilfe schaffen und diese globale Lücke im System des erdbasierten Trackings von Mondorbitern schließen. Die Verbesserung der Navigationsfähigkeit in einer solchen Dualsatellitenmission wird hier im Sinne gesteigerter Beobachtbarkeit demonstriert. Im Weiteren werden dann Konstellationen von Navigationssatelliten darauf aufgebaut und untersucht, die letztlich in ein GPS-analoges System münden. Die Anwendbarkeit des Multi-Satelliten/Multi-Tracking Bahnbestimmungssoftware-Bibliothek D2 wurde schließlich im Rahmen eines Ausblicks auf die Analyse beispielhafter Naviga-tionskonstellationen konzentriert wie sie im cis-lunaren Raumsegment enstehen können. Mit Hilfe von Navigationsstützpunkten auf der Erde, im geostationären Orbit, in den Lagrange-Punkten des Erde-Mond-Systems, auf dem Mondboden sowie unter Einbeziehung des bestehenden GPS sind multiple Trackinggeometrien auch für Transfer-bahnbestimmungen ausgesuchter Orbitabschnitte zwischen Erde und Mond durchgerechnet worden. Es stellte sich dazu die Frage, welche Teilkombinationen aus allen Trackingelementen in Abhängigkeit vom zu bestimmenden Bahnabschnitt (erdnah, intermediär, mondnah) jeweils die fehlerminimale Bahnbestimmungslösung bringt. Ein einfacher genetischer Algorithmus wurde zur effizienten Suche nach der besten Lösung dieser Aufgabe eingesetzt. Durch dieses Beispiel der Lösungssuche wird demonstriert wie geometrisch beste Trackingkonstellationen aus tausenden von Kombinations-möglichkeiten effizient ausgewählt und möglicherweise klassifiziert werden können.
The Moon as our next neighbour in the solar system will be utilized first in the framework of future deep space exploration. To scientifically explore and to economically exploit the Moon lunar and cis-lunar spaceflights have to be navigated precisely. Lunar orbit determination, up to now referring to Earth-based tracking methods only, is the central topic of this work. The basis of this work is set up via model building for the implementation of the deep space orbit determination software DEEPEST to the first german and european tracking and orbit determination experiment for a real lunar orbiter (Lunar Prospector in 1998/1999). The sequential processing of batch orbit determinations provides information about the influence of observability and dynamic modelling of such satellite orbits. Utilizing this knowledge base and stepping further in the development the software framework has been extended and re-structured such that navigation solutions for tracking networks in lunar and cis-lunar space can be calculated and evaluated. The real data orbit determinations of Lunar Prospector clearly reveal the dominant trajectory errors inherent to present day flights in low lunar orbits and which are caused by the imperfectly determined gravity model for the Moon. Although the Lunar Prospector gravity models of 1998/1999 reveal an unprecedented accuracy for orbit reconstruction a problem inherent to the Earth-Moon system prevents the gravity model from being improved further: the rotation of the Moon around its axis is synchronous with its orbital velocity. This characteristic hides the far side of the Moon from being observed or the spacecraft behind the Moon from being tracked directly. The first mission to resolve this systematic lack of observability shall be the japanese SELENE low lunar orbiter supported by a sub-satellite on a higher elliptical orbit working as a relay node for the Earth-based tracking signal. This work demonstrates exemplarily the improvement of increased navigation capability of such a dual-satellite mission in terms of increased observability. Following the future path constellations of navigation satellites based on the evolution of such simple relay systems are further considered which logically leads to the simulation of GPS analog systems for lunar navigation. The applicability of the new multi-satellite/multi-tracking software library for deep space trajectory propagation, determination and tracking data simulation allows also for an experimental outlook to cis-lunar space segment simulation scenarios. Selected transfer trajectory arcs on the way from the Earth to the Moon have been evaluated in terms of batch-least-squares orbit estimation and using tracking nodes on Earth, in geostationary orbit, in the Lagrange points of the Earth-Moon system, on the lunar surface as well as by the inclusion of existing GPS satellites. The question arose which tracking link combinations out of thirteen defined tracking nodes give the best navigation solution for the three orbit arcs near Earth, intermediary and near Moon/L1. A simple genetic algorithm appeared to be suited for an efficient search for the best solution of the orbit tracking and determination simulations. Through this example of solution finding it is demonstrated how geometrical advantageous tracking constellations out of thousands of possible combinations can be selected and potentially categorized.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15553
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1889
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1592
Exam Date: 16-Nov-2006
Issue Date: 9-May-2007
Date Available: 9-May-2007
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Bahnbestimmung
DEEPEST
Mondflug
Navigationssatelliten
Raumflugnavigation
Cis-lunar positioning system
Lunar Prospector
Moon
Navigation
Orbit determination
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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