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Design automation and performance analysis of modular reconfigurable attitude control systems

Meschede, Thomas

The subject of this thesis is the development of attitude control systems for modular satellites. Modular, reconfigurable space systems are being investigated for two reasons: on the one hand, to achieve a faster, more flexible and cost-effective development of space systems in times of massively decreasing launch costs. On the other hand, systems have to be made serviceable in order to avoid becoming space debris and modular systems promise certain advantages in this regard. But there is a lack of knowledge about modular space systems since so far, hardly any have ever been developed. The objective of developing a catalog of modules for several satellites instead of one satellite for a specific mission also requires a completely novel approach and methods in satellite design. The aim of this work is therefore: 1. to generate knowledge about the design of modular space systems with focus on attitude control, 2. and to develop methods to assist in the design of such systems. This PhD thesis aims to lay a foundation of knowledge by focusing on the attitude control of satellites in low earth orbit. This subsystem is well suited as a starting point for entire modular space systems as it is in principle coupled with the other subsystems such as the structure, power system or data handling. These subsystems need to be taken into account but the parameters only need to be known very roughly which also helps to get started with the design automation of modular space systems. In a first step, a comprehensive literature review on attitude control systems in modular spacecraft was conducted. This includes the general systems concept and the navigation algorithms used today. In addition, design methods for space systems were collected and investigated in this thesis. Subsequently, a minimum set of requirements for the modular ADCS were defined. Based on these requirements, several concepts for modular space systems were developed. This includes the development of algorithms for the calibration of sensors and actuators in reconfigurable space systems. These concepts were then analyzed mathematically with a focus on their scalability. For the selection and evaluation of the developed concepts, different module catalogs were designed based on the defined requirements. The design of catalog of modules was only possible with the help of design automation due to the number of possible module combinations. Therefore, in this thesis a new method was developed to generate and evaluate module catalogs automatically. Afterwards, the developed algorithms for modular systems were validated and verified. With the help of the design algorithm, a number of modules and modular space systems were then generated in order to obtain concrete information about the performance of the developed modularity concepts. As an example, two reference missions with the different concepts were generated. Additionally, a tradespace analysis of generic mission scenarios was conducted as a method to select the best performing modules from the module catalog. In summary, this thesis analyses and evaluates the scalability and performance of different concepts of attitude control systems. In addition, a design automation method was developed and tested to design module catalogs for space systems.
Diese Dissertation befasst sich sich mit der Entwicklung von Lageregelungssystemen für modulare Satelliten. Modulare Raumfahrtsysteme werden aus zwei Gründen angestrebt: erstens erhofft man sich eine schnellere, flexiblere und kostengünstigere Entwicklung von Raumfahrtsystem in Zeiten von massiv sinkenden Startkosten. Außerdem müssen zur Vermeidung von zusätzlichem Weltraummüll Systeme wartbar gemacht werden und dabei versprechen modulare Systeme gewisse Vorteile. Da bisher kaum flexible, modulare Raumfahrtsysteme entwickelt wurden, gibt es nicht viel Erfahrung in diesem Bereich. Die Zielsetzung der Entwicklung eines Modulkatalogs anstatt eines einzelnen Satelliten für eine spezifische Mission erfordert außerdem eine völlig neue Herangehensweise und Methoden beim Design von Satelliten. Das Ziel dieser Arbeit ist daher: 1. Wissen über das Design von modularen Raumfahrtsystemen zu generieren, (Mit Fokus auf das Lageregelungssystem), 2. sowie Methoden zu entwickeln, die beim Design solcher Systeme helfen. Diese Arbeit will eine erste Wissensgrundlage schaffen indem sie sich auf die Lageregelung modularer Satelliten im niedrigen Erdorbit konzentriert. Dieses Subsystem eignet sich gut als Ausgangspunkt für ganze modulare Raumfahrtsysteme, da es im Prinzip mit den anderen Subsystemen wie Struktur, Stromversorgung oder Datenverarbeitung gekoppelt ist. Diese Subsysteme müssen berücksichtigt werden, aber die Parameter müssen nur sehr grob bekannt sein, was auch den Einstieg in die Designautomatisierung von modularen Raumfahrtsystemen \mbox{erleichtert}. In einem ersten Schritt wurde daher eine umfassende Recherche über Lageregelungssysteme speziell in modularen Raumfahrzeugen erstellt. Das beinhaltet das generelle System-Konzept und die hierfür heutzutage benutzten Navigationsalgorithmen. Dazu kommt noch eine Recherche über Designmethoden für modulare Systeme. Anschließend wurde in der Arbeit ein Minimum-Set an Anforderungen an modulare Lageregelungssysteme definiert. Auf Basis dieser Anforderungen wurden anschließend mehrere Konzepte für modulare Raumfahrtsysteme entwickelt. Dazu gehört auch die Entwicklung von Algorithmen zur Kalibrierung von Sensoren und Aktoren in rekonfigurierbaren Raumfahrtsystemen. Diese Konzepte werden mit Fokus auf ihrer Skalierbarkeit diskutiert. Für die Auswahl und Bewertung dieser Konzepte wurden dann mithilfe der Anforderungen verschiedene Modulkataloge entworfen. Dies ist aufgrund der Anzahl an Möglichkeiten und der unterschiedlichen Zielsetzung der Entwicklung eines Katalogs anstatt einer spezifischen Mission nur mit automatisierten Methoden möglich. Daher wurde in dieser Arbeit auch eine neuartige Methode entworfen, Modulkataloge automatisiert zu entwickeln und zu bewerten. Anschließend wurden die entwickelten Algorithmen für modulare Systeme validiert und verifiziert. Mithilfe des Design Algorithmus wurde dann eine Anzahl an Modulen und modularen Raumfahrtsystemen generiert um konkrete Aussagen über die Performance der entwickelten Modularitätskonzepte zu erhalten. Hierfür wurden als Beispiel zwei Referenzmissionen mit den verschiedenen Konzepten erzeugt. Außerdem wurde mithilfe einer Tradespaceanalyse von generischen Missionsszenarien eine Auswahl an Modulen aus dem Modulkatalog erzeugt. Zusammengefasst wurden in dieser Arbeit die Skalierbarkeit und Performance verschiedener Konzepte von Lageregelungssystemen analysiert und bewertet. Außerdem wurde eine automatisierte Methode entwickelt und getestet, um Modulkataloge für Raumfahrtsysteme zu designen.