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Contributions to on-board navigation on 1U CubeSats

Weiß, Sascha

FG Raumfahrttechnik

This thesis investigates the use of GNSS receivers on 1U CubeSats, using the example of BEESAT-4 and BEESAT-9. The integration of such a device on satellites enables highly precise time synchronization, position acquisition and orbit determination and prediction The application fields that depend on an accurate attitude control and orbit determination system and can also be processed by CubeSats are highlighted. Therefore the state of the art of GNSS receivers is described, which are suitable for the use on satellites and could be integrated into 1U CubeSats. Further on it is investigated which subsystems of a small satellite are particularly affected and what the special challenges are to realize a precise positioning with a GNSS receiver. In addition, some developments are presented that have significantly increased the performance of 1U CubeSats in recent years. The system concept of BEESAT satellites is introduced and the evolution of the payload board including the use of the latest sensor technologies for attitude control is described. It is shown how the verification of the satellite's subsystems was performed on the ground, with the focus on testing and simulating the attitude control and the GNSS receiver. The necessary integration steps, the calibration and environmental test campaign are discussed. Both satellites were successfully operated and the results of the on-orbit experiments are presented. It is shown how a three-axis stabilized attitude control was first verified on BEESAT-4 and then a GNSS receiver was successfully operated on BEESAT-9 for more than one year. In addition, the inter-satellite link between BEESAT-4 and BIROS will be analyzed, since it is essential for the relative navigation of satellites. The acquired navigation data was sent to the ground and the identification of BEESAT-9 was carried out using this data. A qualitative analysis of the orbital elements (TLE) of BEESAT-9 was performed systematically due to a daily operation of the GNSS receiver. Furthermore, it was investigated how a small GNSS antenna affects the received signal strength from GNSS satellites and whether this antenna or its amplifier degrades over time. Additionally, an orbit determination and propagation based on the navigation data could be performed and the results are evaluated. The analyzed questions allow a statement about the continuous use of GNSS receivers on 1U CubeSats and if it is necessary to achieve the mission objectives.
Diese Arbeit untersucht den Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats am Beispiel von BEESAT-4 und BEESAT-9. Das Integrieren einer solchen Komponente auf Satelliten ermöglicht eine hochgenaue Zeitsynchronisation, Positions- und Orbitbestimmung sowie deren Vorhersage Es werden die Anwendungsfelder beleuchtet, die auf ein akkurates Lageregelungs- und Orbitbestimmungssystem angewiesen sind und außerdem auch von CubeSats bearbeitet werden können. Dazu wird der Stand der Technik von GNSS-Empfängern beschrieben, die für den Einsatz auf Satelliten geeignet sind und von ihren Eigenschaften auch auf 1U CubeSats integriert werden könnten. Weitergehend wird untersucht, welche Subsysteme eines Kleinstsatelliten besonders betroffen sind und was die speziellen Herausforderungen sind, um eine präzise Positionsbestimmung mithilfe eines GNSS-Empfängers zu realisieren. Dazu werden auch einige Entwicklungen vorgestellt, die in den letzten Jahren die Leistungsfähigkeit von 1U CubeSats signifikant erhöht haben. Das Systemkonzept der BEESAT Satelliten wird eingeführt und die Evolution der Nutzlastplatine inklusive der Verwendung der jeweils neuesten Sensortechnologien für die Lageregelung beschrieben. Es wird gezeigt wie die Verifikation der Subsysteme des Satelliten am Boden erfolgte, wobei der Fokus auf dem Testen und Simulieren der Lageregelung und dem GNSS-Empfänger liegt. Dazu werden die notwendigen Integrationsschritte, die Kalibrations- und die Umwelttestkampagne diskutiert. Beide Satelliten wurden erfolgreich betrieben und die Ergebnisse der on-orbit Experimente werden vorgestellt. Es wird gezeigt wie zunächst eine dreiachsenstabilisierte Lageregelung auf BEESAT-4 verifiziert und anschließend auf BEESAT-9 über mehr als ein Jahr ein GNSS-Empfänger erfolgreich betrieben wurde. Zusätzlich wird der Intersatelliten Link zwischen BEESAT-4 und BIROS analysiert, da dieser für die Relativnavigation von Satelliten essentiell ist. Die akquirierten Navigationsdaten wurden zum Boden gesendet und die Identifizierung von BEESAT-9 erfolgte mithilfe dieser Daten. Eine qualitative Analyse der Orbitelemente (TLE) von BEESAT-9 konnte systematisch durchgeführt werden durch einen täglichen Einsatz des GNSS-Empfängers. Weiterhin wurde erforscht wie sich eine kleine GNSS-Antenne auf die empfangenen Signalstärken der GNSS Satelliten auswirkt und ob diese Antenne oder ihr Verstärker mit der Zeit degradieren. Zusätzlich konnte eine Orbitbestimmung und -propagation auf Basis der Navigationsdaten durchgeführt und die Ergebnisse ausgewertet werden. Die analysierten Fragestellungen erlauben eine Aussage über den durchgängigen Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats und ob dieser notwendig ist um die Missionsziele zu erreichen.
  • Published in print by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3232-4 (ISSN 2512-5141)