A flexible attitude control system for three-axis stabilized nanosatellites

Book excerpt: This thesis investigates a new concept for the flexible design and verification of an ADCS for a nanosatellite platform. In order to investigate guidelines for the design of a flexible ADCS, observations of the satellite market and missions are recorded. Following these observations, the author formulates design criteria which serve as a reference for the conceptual design of the flexible ADCS. The research of the thesis was carried out during the development of TU Berlin's nanosatellite platform TUBiX20 and its first two missions, TechnoSat and TUBIN. TUBiX20 targets modularity, reuse and dependability as main design goals. Based on the analysis of design criteria for a flexible ADCS, these key design considerations for the TUBiX20 platform were continued for the investigations carried out in this thesis. The resulting concept implements the ADCS as a distributed system of devices complemented by a hardware-independent core application for state determination and control. Drawing on the technique of component-based software engineering, the system is partitioned into self-contained modules which implement unified interfaces. These interfaces specify the state quantity of an input or output but also its unit and coordinate system, complemented by a mathematical symbol for unambiguous documentation. The design and verification process for the TUBiX20 ADCS was also elaborated during the course of this research. The approach targets the gradual development of the subsystem from a purely virtual satellite within a closed-loop simulation to the verification of the fully integrated system on an air-bearing testbed. Finally, the concurrent realization of the investigated concept within the TechnoSat and TUBIN missions is discussed. Starting with the individual ADCS requirements, the scalability of the approach is demonstrated in three stages: from a coarse, but cost- and energy-efficient configuration to realize a technology demonstration mission with moderate requirements (TechnoSat) to a high-performance configuration to support Earth observation missions (TUBIN). Diese Dissertation untersucht ein neues Konzept zur flexiblen Entwicklung und Verifikation eines Lageregelungssystems für eine Nanosatellitenplattform. Als Grundlage für die Erarbeitung eines Leitfadens für die Entwicklung werden zunächst Beobachtung des Satellitenmarkts sowie konkreter Missionen zusammengetragen. Darauf aufbauend formuliert der Autor Entwurfskriterien für die Konzipierung eines flexiblen Lageregelungssystems. Die Dissertation wurde im Rahmen der Entwicklung der TUBiX20 Nanosatellitenplattform und ihrer ersten beiden Missionen, TechnoSat und TUBIN, an der TU Berlin durchgeführt. TUBiX20 verfolgt Modularität, Wiederverwendung und Zuverlässigkeit als Entwicklungsziele. Diese werden unter der Verwendung der vom Autor hergeleiteten Entwurfskriterien in dieser Arbeit im Kontext des Lageregelungssystems verfeinert. Das resultierende Konzept setzt dieses als verteiltes System von Geräten und einem hardware-unabhängigen Software-Kern um. Der Software-Entwurfstechnik Component-based software engineering folgend ist das System in unabhängige Module unterteilt, welche wiederum einheitliche Schnittstellen implementieren. Diese Schnittstellen spezifizieren die Zustandsgrößen für die Ein- und Ausgänge der Module inklusive Einheit, Koordinatensystem und mathematischem Symbol für eine eindeutige Darstellung. Der Entwurfs- und Verifikationsprozess für das TUBiX20 Lageregelungssystem wurde vom Autor im Rahmen der Arbeit untersucht. Hier verfolgt der Ansatz einen schrittweisen übergang von einem virtuellen Satelliten als Simulationsmodell bis hin zur Verifikation des integrierten Systems auf einem Lageregelungsteststand. Abschließend diskutiert die Arbeit die Realisierung des untersuchten Konzepts im Rahmen der Missionen TechnoSat und TUBIN. Beginnend mit den jeweiligen Anforderungen wird die Skalierbarkeit des Ansatzes in drei Stufen demonstriert: von einer groben, aber kosten- und energieeffizienten Konfiguration für eine Technologieerprobungsmission mit moderaten Anforderungen (TechnoSat) bis hin zu einer Konfiguration für hochgenaue Lageregelung als Basis für Erdbeobachtungsmissionen (TUBIN).