Untersuchungen zur Anwendung von Entfernungssensoren für Kleinsatelliten

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.