Contributions to on-board navigation on 1U CubeSats

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.