Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8407
Main Title: Untersuchungen zur Anwendung von Entfernungssensoren für Kleinsatelliten
Translated Title: Investigations on distance measurement sensors for small satellites
Author(s): Grimm, Martin
Advisor(s): Brieß, Klaus
Voß, Burkart
Referee(s): Weiss, Julien
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Today the use of selected electrical, electronic and electromechanical commercial off-the-shelf (COTS) components in space applications is expanding. The main drive for using COTS in space is cost saving, but market non-availability, performance issues and a small form factor are further reasons to go for COTS. Small satellite missions in particular tend to apply COTS already more than others. COTS parts usually do not meet the high reliability requirements for space applications. The lot-to-lot variations, the lack of traceability and the rapid obsolescence of such parts make qualification ineffective. Therefore, in this work a new approach to apply COTS for the use in space was developed and invesitigated on the example of distance measurement sensors. Accurate distance information is important for satellite constellations and for rendezvous and docking maneuvers in space. Due to the advances in small satellite technology, missions involving multiple small satellites become more and more attractive. Maintaining an accurate distance in a close satellite formation can be crucial for system and safety issues. Furthermore, a cost effective distance measurement solution is particularly demanded for space debris removal, since the question of the financial responsibility is still unclear. Multiple cost effective distance measurement methods have already been proven reliable for distance measurements from far range down to about 30 m. This work investigates various COTS distance sensors for measurements below 30 m for use on small satellites. With a combination of different COTS distance sensors with distinct measurement principles it is intended to prove that a fusion of the measurements of different sensors can help to counteract the degradation of the individual sensors under space environmental conditions. Furthermore, this could enable to maintain the accuracy of the overall distance measurement and to open up a possibility to lower system costs and to enable the use of state of the art technology in space applications. For the investigation four different sensors have been chosen. The IVS-4005 was selected as a radar sensor. Two Mako G-125 cameras were combined to a stereo camera system. As a Photonic Mixing Device (PMD) sensor the EPC610 was selected. The close range distance measurements is additionally covered by the Time-of-Flight (TOF) sensor VL6180x. Several environmental and stress tests were conducted to investigate the behaviour and the degradation effects for each sensor individually. For distances above 1 m the radar sensor provides the most accurate results. But the radar measurement principle alone is not able to reconstruct the targets alignment, rotation and shape. At even surfaces the success of a valid measurement furthermore depends on the viewing angle due to its measurement principle. The PMD EPC610 distance measurements show a high sensitivity against ionizing radiation. All four tested PMD sensors immediately suffered a drift of the distance measurement. As a solution for this degradation behaviour, a cross calibration approach was developed in this work. The cross calibration is based on applying the successful radar measurements which are stable under all environmental influences investigated to calibrate the PMD EPC610 sensor. So PMD EPC610 measurements shall be corrected by radar IVS-4005 distance values during a close range maneuver. The stereo camera system was rejected for the sensor fusion concept due to its disadvantageous measurement behaviour under space conditions. This developed cross calibration approach was applied in a simulation including all observed degradation effects. The sensor fusion approach improves the overall measurement in terms of accuracy and successful detection sample rate compared to a single-sensor solution. At 25 m, the chance of correcting the high initial PMD sensor EPC610 offset with the radar sensor IVS-4005 is about 70 % with an uncertainty of 2 %. By this simulation, a weakness of the sensor system was identified from a distance of 3 m down to 0,2 m, which however can be counteracted by a replacement of the VL6180x sensor with its successor.
Heutzutage wird immer häufiger der Einsatz von nicht speziell für die Raumfahrt qualifizierten Komponenten für Weltraumanwendungen in Betracht gezogen. Als einer der Hauptgründe spielen die geringeren Kosten eine wesentliche Rolle, jedoch sind Verfügbarkeit, Leistungsanforderungen sowie der Formfaktor weitere Gründe nicht-raumfahrtqualifizierte Elektronikbauteile einzusetzen. Insbesondere bei Kleinsatelliten wird oft der Einsatz von solchen Bauteilen erwogen. Nicht-raumfahrtqualifizierte Elektronikbauteile können die hohen Anforderungen, die an die Zuverlässigkeit von Raumfahrtkomponenten gestellt werden, in der Regel nicht erfüllen. Durch die Los-zu-Los-Schwankungen, die schlechte Nachverfolgbarkeit sowie die schnelle Obsoleszenz sind Qualifizierungsmaßnahmen oft nicht nachhaltig. In dieser Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zum Einsatz von nicht-raumfahrtqualifizierten Elektronikbauteile am Beispiel von Entfernungssensoren untersucht. Präzise Entfernungsbestimmung ist für Satellitenkonstellationen sowie für Manöver beim Rendezvous und Docking (RVD) von Bedeutung. Satellitenkonstellationen aus Kleinsatelliten stellen aufgrund verschiedener Faktoren eine neuartige attraktive Messmöglichkeit dar. Dabei muss für gewisse Messaufgaben sowie auch aus Sicherheitsgründen die Entfernungsinformation innerhalb der Konstellation bekannt sein. Bei RVD-Manövern zum Einfangen von Weltraumschrott, wird aufgrund der schwierigen Finanzierungslage eine kosteneffektive Lösung angestrebt. Für den Anflug auf bis zu 30 m existieren bereits mehrere vielversprechende kosteneffektive Messsysteme. In dieser Arbeit wurden verschiedene nicht-raumfahrtqualifizierte Entfernungssensoren für den Messbereich von unterhalb 30 m untersucht. Die bewusste Wahl unterschiedlicher Entfernungssensoren soll dabei gezielt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von ungleichen Degradationseffekten erhöhen. Die damit einhergehenden unterschiedlichen Parameterdrifts und Degradationen sollen über eine Kombination der Sensoren gemindert werden, um so eine mögliche Anwendung im Weltraum zu erlauben. Für die Untersuchung wurden vier verschiedene Sensoren ausgewählt. Als Radarsensor wurde der IVS-4005 verwendet. Zwei Mako G-125 Kameras wurden als Stereo-Kamerasystem aufgebaut. Als Photonic Mixing Device (PMD) kam der EPC610 zum Einsatz. Weiterhin wurde für den Nahbereich der Time-of-Flight-Sensor VL6180x gewählt. Die Leistungsfähigkeit und die Degradation der Sensoren wurden mit diversen Umwelt- und Belastungstests untersucht. Bei Entfernungen von mehr als 1 m wies der Radarsensor die geringste Messunsicherheit auf. Aufgrund des Messprinzips des Radarsensors ist dieser jedoch nur unzureichend in der Lage, Ausrichtung, Rotation und Form des Zielobjekts zu bestimmten. Weiterhin ist die Detektionsfähigkeit bei kubischen Satelliten eingeschränkt. Der PMD EP610 zeigte eine hohe Abhängigkeit von ionisierender Strahlung. Bei allen vier untersuchten PMDs degradierte die Messgenauigkeit unmittelbar nach dem Einsetzen der Bestrahlung. Mithilfe der Kombination der Sensoren sollen diese Degradationseffekte kompensiert werden. Dabei werden die wenig erfolgreichen Radarmessungen genutzt, um den PMD-Sensor EPC610 während der Entfernungsmessung zum Zielobjekt zu rekalibrieren. Das Stereokamerasystem wurde aufgrund seiner Nachteile im Vergleich zu den anderen Sensoren in dieser Arbeit nicht für die Sensorkombination verwendet. Dieser Ansatz zur Kalibrierung der Sensoren wurde in einer Simulation mit allen beobachteten Degradationeffekten untersucht. Die Kombination der Sensoren zeigte eine Verbesserung der resultierenden Messabweichung. Bei einer Entfernung von 25 m besteht bei einem taumelnden Zielobjekt eine Wahrscheinlichkeit von über 70 %, dass der IVS-4005 den EPC610 rekalibriert und dadurch eine Messunsicherheit von weniger als 2 % erlangt wird. Die Schwachstelle der Sensorkombination liegt im Entfernungsbereich zwischen 3 m und 0,2 m. Mit einem Austausch des VL6180x-Sensor durch seinen Nachfolger kann dem jedoch entgegengewirkt werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9337
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8407
Exam Date: 11-Mar-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 30-Sep-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Kleinsatelliten
Sensoren
Entfernungsmessung
COTS
small satellites
sensors
distance measurement
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Series: Institute of Aeronautics and Astronautics: Scientific Series
Series Number: 8
EISSN: 2512-515X
ISBN: 978-3-7983-3085-6
Notes: Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3084-9 (ISSN 2512-5141)
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