DE102011113689B3 - Space vehicle i.e. unmanned satellite, has experimentation device controlling control device through bypassing control unit and standard control of vehicle with control signals for experimental position and/or depth control of vehicle - Google Patents

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Abstract

The vehicle (1) has an experimentation device (7) connected with a detecting unit (2) and a control device (6). The experimentation device generates experimental control signals for carrying out position and/or depth control experiments of detected position and/or depth information and experimental control algorithms provided in the experimentation device. The experimentation device controls the control device through bypassing a control unit (5) and predetermined standard control of the vehicle with the generated signals for experimental position and/or depth control of the vehicle. The control device is formed as a moment transmitter. The experimentation device is operated as a standard communication unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Weltraumfahrzeug mit einer Erfassungseinheit zum Erfassen von Positions- und/oder Lageinformationen des Weltraumfahrzeuges durch ein Sensorsystem, einer Steuerungsvorrichtung zur Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges und einer Regelungseinheit zur Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges, die zum Generieren von Steuersignalen zur Ansteuerung der Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von den erfassten Positions- und/oder Lageinformationen und von einer vorgegebenen Standardregelung des Weltraumfahrzeuges eingerichtet ist.The invention relates to a spacecraft with a detection unit for detecting position and / or position information of the spacecraft by a sensor system, a control device for position and / or attitude control of the spacecraft and a control unit for position and / or attitude control of the spacecraft, for generating is set up by control signals for controlling the control device as a function of the detected position and / or position information and by a predetermined standard control of the spacecraft.

Raumflugkörper bzw. Weltraumfahrzeuge, die sich außerhalb der Erdatmosphäre befinden, weisen in der Regel ein Sensorsystem auf, mit der die Position und/oder Lage des Weltraumfahrzeuges ermittelt werden kann. Gleichzeit weisen solche Weltraumfahrzeuge eine Steuervorrichtung auf, mit der die Position und/oder Lage des Weltraumfahrzeuges verändert werden kann.Spacecraft or spacecraft, which are located outside the earth's atmosphere, usually have a sensor system with which the position and / or position of the spacecraft can be determined. At the same time, such space vehicles have a control device with which the position and / or position of the spacecraft can be changed.

Solche Steuervorrichtungen können beispielsweise Momentgeber (wie Drallräder, etc.) sein, die ein entsprechendes Moment auf das Weltraumfahrzeug aufbringen, so dass sich die Lage des Weltraumfahrzeuges in alle drei Freiheitsgrade verändern und beeinflussen lässt.Such control devices may be, for example, momentary transmitters (such as spin wheels, etc.) which apply a corresponding moment to the spacecraft so that the attitude of the spacecraft can be varied and influenced in all three degrees of freedom.

Über einen im Weltraumfahrzeug hinterlegten Standardregelungsalgorithmus wird nun die Position und/oder Lage des Weltraumfahrzeuges in Abhängigkeit der erfassten Positions- und/oder Lageinformationen beeinflusst, beispielsweise derart, dass das Weltraumfahrzeug mit seinen Solarpendeln permanent optimal zur Sonne ausgerichtet ist, während es auf einer Umlaufbahn um die Erde kreist. Dabei wird kontinuierlich die Lage des Weltraumfahrzeuges mit Hilfe des Sensorsystems gegenüber der Sonne ermittelt, wobei bei einer Abweichung der optimalen Ausrichtung gegenüber der Sonne dies erkannt und das Weltraumfahrzeug über dem Regelalgorithmus so angesteuert wird, dass sich das Weltraumfahrzeug wieder optimal zur Sonne ausrichtet.Via a standard control algorithm deposited in the spacecraft, the position and / or position of the spacecraft is now influenced as a function of the detected position and / or position information, for example such that the spacecraft with its solar pendulums is permanently optimally aligned with the sun while it is in orbit the earth revolves. In this case, the position of the spacecraft is continuously determined with the aid of the sensor system with respect to the sun, which is detected in a deviation of the optimal alignment with the sun and the spacecraft is controlled via the control algorithm so that the spacecraft aligns optimally with the sun again.

Bei dem Standardregelungsalgorithmus sind jedoch eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar, beispielsweise derart, dass sich das Weltraumfahrzeug, das ein Satellit sein kann, immer optimal zur Erde ausrichtet, um eine Kommunikationsverbindung zwischen zwei Standorten auf der Erde herzustellen.However, in the standard control algorithm, a variety of possibilities are conceivable, for example, such that the spacecraft, which may be a satellite, always aligns optimally with the earth to establish a communication link between two locations on the earth.

Dabei weisen alle Anwendungsfälle und Regelungsalgorithmen die Gemeinsamkeit auf, dass sie im Wesentlichen autark einer bestimmten vorgegebenen Regelung folgen, da ein Eingriff durch den Menschen bei dieser Regelung nur unter ganz bestimmten Randbedingen möglich ist. Befindet sich darüber hinaus das Raumfahrzeug beispielsweise auf einer erdnahen Umlaufbahn, so ist eine Kommunikationsverbindung zum Satelliten zwecks Eingriffs in die Regelung nur in einem kurzen Zeitfenster möglich, da ansonsten das Weltraumfahrzeug im Funkschatten der Erde wieder verschwindet. Allerdings muss auch dann sichergestellt sein, dass der Regelungsalgorithmus auch ohne Eingriff des Menschen zuverlässig funktioniert.In this case, all applications and control algorithms have the common feature that they essentially autonomously follow a certain predetermined regulation, since an intervention by humans in this regulation is possible only under very specific boundary conditions. In addition, if the spacecraft, for example, on a near-Earth orbit, so a communication link to the satellite for the purpose of intervention in the scheme only in a short time window is possible because otherwise the spacecraft disappears again in the radio shadow of the earth. However, it must also be ensured that the control algorithm works reliably even without human intervention.

Für die Entwicklung neuer Weltraumfahrzeuge bzw. Raumflugkörper sowie neuartiger Regelungsalgorithmen muss daher sichergestellt werden, dass diese, meist autark arbeitenden Regelungsalgorithmen sicher und zuverlässig funktionieren. Hierfür können die Regelungsalgorithmen beispielsweise mit Hilfe einer Softwaresimulation getestet werden, indem die am Einsatzort vorherrschenden Bedingungen durch eine Software als Eingang in die Sensorik simuliert werden. Der Nachteil hierbei ist, dass auch dadurch nicht hundertprozentig sichergestellt werden kann, dass der Regelungsalgorithmus auch unter den Realbedingungen sicher funktioniert, da die Simulationssoftware selbst auch Fehler enthalten kann.For the development of new spacecraft or spacecraft, as well as novel control algorithms, it must therefore be ensured that these, usually self-sufficient control algorithms work safely and reliably. For this purpose, the control algorithms can be tested, for example with the aid of a software simulation, by simulating the conditions prevailing at the place of use by means of software as input to the sensor system. The disadvantage here is that even by doing this it can not be completely guaranteed that the control algorithm works reliably even under the real conditions, since the simulation software itself can also contain errors.

Ein direktes Testen des Regelungsalgorithmus ist darüber hinaus auf der Erde unter den vorherrschenden Bedingungen allein schon deshalb nicht möglich, da die Regelung aufgrund der fehlenden Schwerkraft nicht in allen Freiheitsgraden getestet werden kann. So werden beispielsweise so genannte Luftlagertische eingesetzt, die jedoch eine Testumgebung lediglich in einem Freiheitsgrad vollständig abbilden können.In addition, a direct testing of the control algorithm is not possible on earth under the prevailing conditions alone, since the control can not be tested in all degrees of freedom due to the lack of gravity. So, for example, so-called air bearing tables are used, but can fully map a test environment only in one degree of freedom.

Aus der EP 0 569 205 A1 ist eine Weltraumfahrzeug-Kontrollvorrichtung bekannt, die ein Sicherheitskontrollsystem aufweist, welches das Weltraumfahrzeug in einen sicheren Zustand überführt, sobald eine Fehlfunktion in dem Weltraumfahrzeug festgestellt wurde. Hierdurch können weitergehende Schäden an dem Weltraumfahrzeug durch eine fehlerhafte Steuerung vermieden werden.From the EP 0 569 205 A1 For example, there is known a spacecraft inspection apparatus having a security control system that places the spacecraft in a safe state once a malfunction in the spacecraft has been detected. As a result, further damage to the spacecraft can be avoided by a faulty control.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, mit der neue Regelungsalgorithmen zur Positions- und/oder Lageregelung eines Weltraumfahrzeuges sicher überprüft werden können.It is therefore an object of the present invention to provide a possibility with which new control algorithms for position and / or position control of a spacecraft can be safely checked.

Die Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Weltraumfahrzeug erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Weltraumfahrzeug eine Experimentiervorrichtung zur Durchführung von Positions- und/oder Lageregelungsexperimenten aufweist, die mit der Erfassungseinheit und der Steuerungsvorrichtung des Weltraumfahrzeuges signaltechnisch in Verbindung steht, wobei die Experimentiervorrichtung eingerichtet ist, experimentelle Steuersignale zur Durchführung der Positions- und/oder Lageregelungsexperimente in Abhängigkeit von den erfassten Positions- und/oder Lageinformationen und von in der Experimentiervorrichtung hinterlegten experimentellen Regelungsalgorithmen zu generieren und die Steuervorrichtung unter Umgehung der Regelungseinheit und vorgegebener Standardregelung des Weltraumfahrzeuges mit den ermittelten experimentellen Steuersignalen zur experimentellen Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges anzusteuern.The object is achieved with the above-mentioned spacecraft according to the invention in that the spacecraft has an experimental device for performing position and / or attitude control experiments, which is in signal communication with the detection unit and the control device of the spacecraft, wherein the experimental device is set up, experimental control signals to generate the position and / or attitude control experiments depending on the detected position and / or position information and stored in the experimental device experimental control algorithms and the control device, bypassing the control unit and default standard control of the spacecraft with the determined experimental control signals for experimental positions - and / or attitude control of the spacecraft to control.

Erfindungsgemäß wird ein Weltraumfahrzeug vorgeschlagen, das standardmäßig über eine Erfassungseinheit zum Erfassen von Positions- und/oder Lageinformationen und eine Steuerungsvorrichtung zur Positions- und/oder Lageänderung aufweist. Mit Hilfe einer Regelungseinheit, die einen vorgegebenen Standardregelungsalgorithmus aufweist, kann das Weltraumfahrzeug auf die herkömmliche und aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise geregelt werden.According to the invention, a spacecraft is proposed, which by default has a detection unit for detecting position and / or position information and a control device for position and / or position change. By means of a control unit having a predetermined standard control algorithm, the spacecraft can be controlled in the conventional manner known in the art.

Zusätzlich wird jedoch nunmehr eine Experimentiervorrichtung angegeben, die mit der Erfassungseinheit und Steuerungsvorrichtung des Weltraumfahrzeuges signaltechnisch verbunden ist und zum Ausführen eines experimentellen Regelungsalgorithmus eingerichtet ist, wobei dann die Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges unter Umgehung der Standardregelungsalgorithmen mit Hilfe der experimentellen Regelungsalgorithmen durchgeführt wird. Somit können experimentelle Regelungsalgorithmen direkt unter Weltraumbedingungen getestet werden, ohne dass man sich hierfür fehleranfälliger Simulationsumgebungen bedienen muss.In addition, however, there is now provided an experimental apparatus which is signal-connected to the spacecraft detection unit and control apparatus and adapted to execute an experimental control algorithm, wherein the spacecraft position and / or attitude control is then bypassed using the standard control algorithms using the experimental control algorithms , Thus, experimental control algorithms can be tested directly under space conditions, without having to use this error-prone simulation environments.

Somit kann eine Testumgebung unter realen Weltraumbedingungen beispielsweise für industrielle Partner oder für die Weltraumbehörden bereitgestellt werden, die die Lageregelungsexperimente direkt vor Ort durchführen können.Thus, a real space environment test environment can be provided, for example, to industrial partners or to the space agencies who can perform the attitude control experiments on site.

Vorteilhafterweise weist die Experimentiervorrichtung eine Empfangseinheit auf, mit der experimentelle Regelungsalgorithmen, die von einer Bodenstation an das Weltraumfahrzeug gesendet werden, empfangen und dann in einem Speicher der Experimentiervorrichtung hinterlegt werden können. Dadurch können immer wieder neuartige Regelungsalgorithmen auf der bestehenden Plattform getestet werden, ohne dass hierfür jedes Mal ein neuer Raumflugkörper konstruiert und in den Weltraum gebracht werden muss.Advantageously, the experimenting apparatus has a receiving unit with which experimental control algorithms sent from a ground station to the spacecraft can be received and then stored in a memory of the experimental apparatus. As a result, new control algorithms can be tested on the existing platform time and again, without having to construct a new spacecraft each time and launch it into space.

Ganz besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Experimentiervorrichtung eine Verifikationseinheit aufweist, mit der die durchgeführten Positions- und/oder Lageexperimente mit einem Regelungsziel verifiziert werden können. Das Regelungsziel gibt dabei an, was der Zwischen- bzw. Endzustand des Weltraumfahrzeuges nach der Durchführung des Regelungsalgorithmus einnehmen sollte. Weicht der aktuelle Zustand von dem Regelungsziel ab, so kann auf einen fehlerhaften Regelungsalgorithmus geschlossen werden.It is particularly advantageous in this case if the experimental device has a verification unit with which the position and / or position experiments that have been carried out can be verified with a control target. The control target indicates what the intermediate or final state of the spacecraft should assume after the execution of the control algorithm. If the current state deviates from the control target, then it is possible to conclude that a faulty control algorithm has occurred.

In einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsform hat die Experimentiervorrichtung eine Sicherheitsbewertungseinheit, mit der die Experimentiervorrichtung ein Sicherheitsrisiko des Weltraumfahrzeuges in Abhängigkeit von den ermittelten experimentellen Steuersignalen unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandes des Weltraumfahrzeuges ermitteln kann. Durch eine derartige Sicherheitsbewertung bzw. Abschätzung des Sicherheitsrisikos kann festgestellt werden, wie groß das Sicherheitsrisiko für das Weltraumfahrzeug ist, wenn die aus dem experimentellen Bewegungsalgorithmus ermittelten experimentellen Steuersignale tatsächlich zur Ansteuerung der Steuerungsvorrichtung verwendet werden. Denn eine Gefährdung des Weltraumfahrzeuges sollte grundsätzlich auch bei fehlerhaften Bewegungsalgorithmen ausgeschlossen werden.In an advantageous and preferred embodiment, the experimental device has a safety evaluation unit with which the experimental device can determine a safety risk of the spacecraft in dependence on the determined experimental control signals taking into account the current state of the spacecraft. By means of such a safety assessment or risk assessment it can be determined how great the safety risk is for the spacecraft if the experimental control signals determined from the experimental motion algorithm are actually used to control the control device. Because a threat to the spacecraft should in principle be excluded even with faulty motion algorithms.

In diesem Zusammenhang ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Experimentiervorrichtung eingerichtet ist, die Steuerungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem ermittelten Sicherheitsrisiko mit den experimentellen Steuersignalen anzusteuern. Ist das Sicherheitsrisiko unter Berücksichtigung der aktuellen experimentellen Steuersignale zu groß und überschreitet einen Schwellwert, so werden die experimentellen Steuersignale nicht zur Anwendung gebracht.In this context, it is particularly advantageous if the experimental device is set up to control the control device in dependence on the identified security risk with the experimental control signals. If the security risk is too great considering the current experimental control signals and exceeds a threshold value, the experimental control signals are not applied.

Vorteilhaft ist hierbei, wenn bei Feststellung eines zu großen Sicherheitsrisikos an Stelle der experimentellen Steuersignale die Standardsteuersignale aus der Standardregelungseinheit des Weltraumfahrzeuges verwendet werden, um das Weltraumfahrzeug in einem sicheren Zustand zu behalten oder das Weltraumfahrzeug in einen sicheren Zustand zu überführen. Somit lassen sich Beschädigungen am Weltraumfahrzeug aufgrund eines fehlerhaften experimentellen Regelungsalgorithmus von vornherein vermeiden.In this case, it is advantageous if, in the event of an excessively high safety risk, the standard control signals from the standard control unit of the spacecraft are used instead of the experimental control signals in order to keep the spacecraft in a safe state or to bring the spacecraft into a safe state. Thus, damage to the spacecraft due to a faulty experimental control algorithm can be avoided from the outset.

Vorteilhafterweise weist die Experimentiervorrichtung eine Kommunikationseinheit auf, die zum Aufbau einer Kommunikationsverbindung mit einer Bodenstation eingerichtet ist. Hierbei kann sich die Experimentiervorrichtung beispielsweise der Standardkommunikationseinheit des Weltraumfahrzeuges bedienen, die es über den Bus des Weltraumfahrzeuges ansprechen kann. Denkbar ist aber auch, dass die Experimentiervorrichtung eine eigenständige Kommunikationseinheit aufweist, um unabhängig von der Kommunikation des Weltraumfahrzeuges zu sein.Advantageously, the experimenting device has a communication unit which is set up to set up a communication link with a ground station. In this case, the experimenting device can use, for example, the standard communication unit of the spacecraft, which can address it via the bus of the spacecraft. It is also conceivable, however, that the experimental device has an independent communication unit in order to be independent from the communication of the spacecraft.

Über diese Kommunikationsverbindung der Kommunikationseinheit kann die Experimentiereinrichtung nun Steuerbefehle von einer Bodenstation empfangen, wobei die Experimentiervorrichtung eingerichtet ist, diese Steuerbefehle auszuführen. So können mit einem solchen Kommando- und Telemetrie-System die Parameter der Experimente einschließlich der benötigten Schwellwerte und dergleichen angepasst werden, was eine größtmögliche Flexibilität erlaubt.Via this communication connection of the communication unit, the experimenting device can now receive control commands from a ground station, wherein the experimenting device is set up to execute these control commands. Thus, with such a command and telemetry system, the parameters of the experiments including the required thresholds and the like can be adjusted, which allows the greatest possible flexibility.

Vorteilhafterweise werden während der Durchführung der Positions- und/oder Lageexperimente mit den experimentellen Regelungsalgorithmen Experimentdaten erfasst, die dann vorteilhafter Weise über die Kommunikationsverbindung der Kommunikationseinheit an die Bodenstation gesendet werden kann. Somit lassen sich die für eine Auswertung der Experimente notwendigen Daten schneller erfassen.Advantageously, experimental data is acquired during the performance of the position and / or location experiments with the experimental control algorithms, which can then advantageously be sent to the ground station via the communication link of the communication unit. Thus, the data necessary for an evaluation of the experiments can be detected faster.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 – schematische Darstellung des Weltraumfahrzeuges; 1 - schematic representation of the spacecraft;

2 – Anwendungsbeispiel. 2 - Application example.

1 zeigt das erfindungsgemäße Weltraumfahrzeug 1, das beispielsweise ein unbemannter Satellit sein kann. Das Weltraumfahrzeug 1 weist eine Erfassungseinheit 2 auf, die mit Hilfe eines Sensorsystems 3 Positions- und/oder Lageinformationen bezüglich des Weltraumfahrzeuges 1 ermittelt. 1 shows the spacecraft according to the invention 1 which may be, for example, an unmanned satellite. The spacecraft 1 has a detection unit 2 on that with the help of a sensor system 3 Position and / or position information relating to the spacecraft 1 determined.

Das Sensorsystem 3 kann beispielsweise einen Sonnensensor 4a zur Erfassung eines Sonnenvektors aufweisen. Denkbar ist auch ein Magnetfeldsensor 4b, der einen Magnetfeldvektor im Satelliten-Koordinatensystem und die Magnetfeldstärke erfassen kann. Darüber hinaus sind Inertialsensoren 4c denkbar, welche die Drehrate bzw. die bei der Lageänderung entstehenden Beschleunigungswerte erfassen. Über einen Attitudesensor 4d lässt sich die Ausrichtung im inertialen Koordinatensystem erfassen. Dies kann beispielsweise ein Erdsensor sein, welcher die Ausrichtung der Erde bezüglich des Weltraumfahrzeuges 1 erfasst, aber auch eine Sternenkamera, welche anhand des von der Sternenkamera aufgenommenen Sternenbildes die momentane Ausrichtung des Weltraumfahrzeuges 1 erfasst. Schließlich sind noch weitere Positionssensoren 4e denkbar, welche die exakte Position des Weltraumfahrzeuges 1 im inertialen Koordinatensystem erfassen.The sensor system 3 For example, a sun sensor 4a to detect a solar vector. Also conceivable is a magnetic field sensor 4b which can detect a magnetic field vector in the satellite coordinate system and the magnetic field strength. In addition, inertial sensors 4c conceivable, which detect the rate of rotation or the acceleration values resulting from the position change. About an Attitudesensor 4d the orientation can be detected in the inertial coordinate system. This may, for example, be an earth sensor which determines the orientation of the earth with respect to the spacecraft 1 recorded, but also a star camera, which based on the star image taken by the star camera, the current orientation of the spacecraft 1 detected. Finally, there are more position sensors 4e conceivable which the exact position of the spacecraft 1 in the inertial coordinate system.

Diese über das Sensorsystem 3 erfassten Positions- und/oder Lagedaten werden dann an die Erfassungseinheit 2 weitergeleitet, welche beispielsweise mit Hilfe von Fusionsalgorithmen diese durch die Sensoren 4a bis 4e erfassten Daten zu einer hochgenauen Positions- und/oder Lageinformation zusammenfassen. Dabei können Ausfälle eines Satelliten durch die zum Teil redundant ausgelegten Sensoren 4a bis 4e von dem Sensorsystem 3 übernommen werden.This via the sensor system 3 recorded position and / or position data are then sent to the registration unit 2 passed, which, for example by means of fusion algorithms this through the sensors 4a to 4e collected data to a highly accurate position and / or position information. Failures of a satellite can be caused by the partly redundant designed sensors 4a to 4e from the sensor system 3 be taken over.

Herkömmlicherweise werden diese Positions- und/oder Lageinformationen von der Erfassungseinheit 2 an eine Regelungseinheit 5 übertragen, die eine vorgegebene Standardregelung zur Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges aufweist. Aus den Positions- und/oder Lageinformationen der Erfassungseinheit 2 werden daraus Steuersignale generiert, mit der dann die Steuerungsvorrichtung 6 zur Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges angesteuert wird. Eine solche Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise ein Momentgeber sein, welcher ein entsprechendes Kraftmoment auf das Weltraumfahrzeug zur Lageänderung aufbringt. Dies kann aber auch ein entsprechendes Triebwerk sein, um beispielsweise Positionsveränderungen des Weltraumfahrzeuges 1 durchzuführen.Conventionally, these position and / or position information from the detection unit 2 to a control unit 5 transmitted, which has a predetermined standard control for position and / or position control of the spacecraft. From the position and / or position information of the detection unit 2 From this control signals are generated, with which then the control device 6 is controlled for position and / or attitude control of the spacecraft. Such a control device may, for example, be a momentary generator which applies a corresponding moment of force to the spacecraft for positional change. But this can also be a corresponding engine, for example, position changes of the spacecraft 1 perform.

Um nun Lageregelungsexperimente durchführen zu können, ohne die Sicherheit des Weltraumfahrzeuges 1 zu gefährden, wird erfindungsgemäß eine Experimentiervorrichtung 7 vorgeschlagen, die ebenfalls mit der Erfassungseinheit 2 und der Steuerungsvorrichtung 6 signaltechnisch in Verbindung steht. Die Experimentiervorrichtung 7 weist eine Recheneinheit 8 auf, auf der ein experimenteller Regelungsalgorithmus hinterlegt ist. Wird nun das Experiment gestartet, so werden in Abhängigkeit der Positions- und/oder Lageinformationen der Erfassungseinheit 2 und des experimentellen Regelungsalgorithmus die Steuersignale für die Steuerungsvorrichtung 6 generiert und die Steuerungsvorrichtung 6 zur Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges 1 mit den experimentellen Steuersignalen angesteuert, so dass sich das Weltraumfahrzeug entsprechend des experimentellen Regelungsalgorithmus verhält. Dabei wird die vorgegebene Standardregelung der Standardregelungseinheit 5 bei der Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges umgangen, so dass ausschließlich das Weltraumfahrzeug 1 während des Experimentes vor dem experimentellen Regelungsalgorithmus angesteuert wird.In order to be able to perform attitude control experiments without the safety of the spacecraft 1 To endanger, according to the invention an experimental device 7 also proposed with the registration unit 2 and the control device 6 is technically connected. The experimenting device 7 has an arithmetic unit 8th on which an experimental control algorithm is deposited. If the experiment is started, then depending on the position and / or position information of the detection unit 2 and the experimental control algorithm, the control signals for the control device 6 generated and the control device 6 for position and / or attitude control of the spacecraft 1 controlled with the experimental control signals so that the spacecraft behaves according to the experimental control algorithm. In this case, the default standard regulation of the standard control unit 5 bypassed in the position and / or attitude control of the spacecraft, so that only the spacecraft 1 during the experiment before the experimental control algorithm.

Über eine Sicherheitsbewertungseinheit 9 können die experimentellen Steuersignale bevor sie zur Ansteuerung der Steuerungsvorrichtung 6 verwendet werden, hinsichtlich eines Sicherheitsrisikos untersucht werden, um so Risiken für das Weltraumfahrzeug bei fehlerhaften experimentellen Regelungsalgorithmen zu vermeiden. Sollte die Sicherheitsbewertungseinheit 9 feststellen, dass die von der Recheneinheit 8 generierten experimentellen Steuersignale zu einer Gefährdung des Weltraumfahrzeugs 1 führen würden, so verwirft es die experimentellen Steuersignale oder beendet das Experiment automatisch und verwendet stattdessen die aus der Standardregelungseinheit 5 generierten Standardsteuersignale zur Ansteuerung der Steuerungsvorrichtung 6, um das Weltraumfahrzeug in einem sicheren Zustand zu behalten oder um das Weltraumfahrzeug 1 in einen sicheren Zustand zu überführen.About a safety assessment unit 9 may be the experimental control signals before they are used to drive the control device 6 be examined for a safety risk so as to avoid risks to the spacecraft in the event of faulty experimental control algorithms. Should the safety assessment unit 9 notice that by the arithmetic unit 8th generated experimental control signals to endanger the spacecraft 1 would then discard the experimental control signals or automatically terminate the experiment and instead use those from the standard control unit 5 Generated standard control signals for controlling the control device 6 to keep the spacecraft in a safe state or around the spacecraft 1 into a safe state.

Weiterhin weist die Experimentiervorrichtung 7 eine Empfangs- und Kommunikationseinheit 10 auf, mit der die Experimentiervorrichtung eine Kommunikationsverbindung zu einer Bodenstation aufbauen kann. Über eine derartige Kommunikationsverbindung können dann beispielsweise experimentelle Regelungsalgorithmen aufgespielt werden, die für ein späteres Experiment verwendet werden sollen. Diese aufgespielten experimentellen Regelungsalgorithmen können dann beispielsweise in einem Speicher 11 hinterlegt werden.Furthermore, the experimental device 7 a receiving and communication unit 10 on, with the experimental device can establish a communication link to a ground station. By way of example, experimental control algorithms which are to be used for a later experiment can then be loaded via such a communication connection. These experimental experimental control algorithms can then be stored in a memory, for example 11 be deposited.

Über die Kommunikationsverbindung der Empfangs- und Kommunikationseinheit 10 lassen sich darüber hinaus auch Steuerbefehle an die Experimentiervorrichtung 7 übertragen, um so beispielsweise das Experiment zu starten oder zu beenden oder bestimmte Parameter der Experimentierumgebung einzustellen. Dabei kann die Experimentiervorrichtung 7 mit dem Standardbussystem (nicht gezeigt) des Weltraumfahrzeuges 1 kontaktiert sein, um die notwendigen Informationen und Kommunikationsverbindungen aufbauen zu können.Via the communication connection of the receiving and communication unit 10 In addition, control commands can also be sent to the experimental device 7 for example, to start or stop the experiment, or to set certain parameters of the experimental environment. In this case, the experimental device 7 with the standard bus system (not shown) of the spacecraft 1 be contacted in order to build up the necessary information and communication links.

Über eine Verifikationseinheit 12 lässt sich darüber hinaus auch noch feststellen, ob die gewünschten Regelungsziele der experimentellen Regelungsalgorithmen erreicht werden oder nicht.About a verification unit 12 Moreover, it can also be determined whether the desired control objectives of the experimental control algorithms are achieved or not.

2 zeigt ein kurzes Anwendungsbeispiel mittels eines Satelliten als Weltraumfahrzeug 1, der die erfindungsgemäße Experimentiervorrichtung 7 mit sich führt. Von einer Bodenstation 21 wird eine Kommunikationsverbindung 22 zu dem Satelliten 1 aufgebaut, über die dann ein experimenteller Regelungsalgorithmus in die Experimentiervorrichtung 7 übertragen wird. Anschließend wird von einem Bediener in der Bodenstation 21 das Experiment mit dem hochgeladenen experimentellen Regelungsalgorithmus gestartet. 2 shows a short application example by means of a satellite as a spacecraft 1 , the experimental device according to the invention 7 with you. From a ground station 21 becomes a communication connection 22 to the satellite 1 via which then an experimental control algorithm in the experimental device 7 is transmitted. Subsequently, by an operator in the ground station 21 started the experiment with the uploaded experimental control algorithm.

Befindet sich der Satellit 1 in einer erdnahen Umlaufbahn, so weist er eine sehr hohe Geschwindigkeit auf, so dass der Satellit 1 nach einer gewissen Zeit aus dem Empfangsbereich der Bodenstation 21 verschwindet. Die bestehende Kommunikationsverbindung 22 wird daher wieder abgebaut und beim erneuten Überfliegen des Satelliten 1 über die Bodenstation 21 wird eine erneute Kommunikationsverbindung 23 aufgebaut, mit der nunmehr das Ergebnis des Experimentes an die Bodenstation 21 übertragen wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Daten und/oder Lageinformationen, die während des Experimentes kontinuierlich aufgezeichnet wurden, übertragen werden. Denkbar ist aber auch, dass das Ergebnis der Verifikationseinheit 12 übertragen wird, die feststellt, ob das Regelungsziel durch den experimentellen Regelungsalgorithmus erreicht wurde.Is the satellite 1 in a near-earth orbit, it has a very high velocity, so that the satellite 1 after a certain time out of the reception area of the ground station 21 disappears. The existing communication connection 22 is therefore dismantled and again flying over the satellite 1 over the ground station 21 will be a new communication link 23 built, with now the result of the experiment to the ground station 21 is transmitted. This can be done, for example, by transferring the data and / or location information continuously recorded during the experiment. It is also conceivable, however, that the result of the verification unit 12 which determines whether the control target has been achieved by the experimental control algorithm.

Mit Hilfe eines derartigen Weltraumfahrzeuges 1 ist es nunmehr möglich, Regelungsexperimente mit Weltraumfahrzeugen unter Realbedingungen durchzuführen, ohne hierfür auf Simulationen zurückgreifen zu müssen, die im Zweifel fehlerbehaftet sind. Somit lassen sich bereits in der Entwicklung von Weltraumfahrzeugen teure Fehlkonstruktionen vermeiden, die im schlimmsten Fall zu einem vollständigen Verlust des Weltraumfahrzeuges führen.With the help of such a spacecraft 1 It is now possible to carry out control experiments with spacecraft under real conditions, without having to resort to simulations that are inaccurate in case of doubt. Thus, even in the development of spacecraft expensive faulty designs can be avoided, which in the worst case lead to a complete loss of the spacecraft.

Claims (9)

Weltraumfahrzeug (1) mit – einer Erfassungseinheit (2) zum Erfassen von Positions- und/oder Lageinformationen des Weltraumfahrzeuges (1) durch ein Sensorsystem (3), – einer Steuerungsvorrichtung (6) zur Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges (1) und – einer Regelungseinheit (5) zur Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges (1), die zum Generieren von Steuersignalen zur Ansteuerung der Steuerungsvorrichtung (6) in Abhängigkeit von den erfassten Positions- und/oder Lageinformationen und von einer vorgegebenen Standardregelung des Weltraumfahrzeuges (1) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Weltraumfahrzeug (1) eine Experimentiervorrichtung (7) zur Durchführung von Positions- und/oder Lageregelungsexperimenten aufweist, die mit der Erfassungseinheit (2) und der Steuerungsvorrichtung (6) des Weltraumfahrzeuges (1) signaltechnisch in Verbindung steht, wobei die Experimentiervorrichtung (7) eingerichtet ist, – experimentelle Steuersignale zur Durchführung der Positions- und/oder Lageregelungsexperimente in Abhängigkeit von den erfassten Positions- und/oder Lageinformationen und von in der Experimentiervorrichtung (7) hinterlegten experimentellen Regelungsalgorithmen zu generieren und – die Steuerungsvorrichtung (6) unter Umgehung der Regelungseinheit (5) und vorgegebener Standardregelung des Weltraumfahrzeuges (1) mit den generierten experimentelen Steuersignalen zur experimentellen Positions- und/oder Lagesteuerung des Weltraumfahrzeuges (1) anzusteuern.Spacecraft ( 1 ) with - a registration unit ( 2 ) for detecting position and / or position information of the spacecraft ( 1 ) by a sensor system ( 3 ), - a control device ( 6 ) for the position and / or attitude control of the spacecraft ( 1 ) and - a control unit ( 5 ) for the position and / or attitude control of the spacecraft ( 1 ) used to generate control signals for controlling the control device ( 6 ) in dependence on the detected position and / or position information and on a predetermined standard regulation of the spacecraft ( 1 ), characterized in that - the spacecraft ( 1 ) an experimental device ( 7 ) for performing position and / or attitude control experiments with the detection unit ( 2 ) and the control device ( 6 ) of the spacecraft ( 1 ) is technically connected, wherein the experimental device ( 7 ) is set up, - experimental control signals for carrying out the position and / or attitude control experiments in dependence on the detected position and / or position information and in the experimental device ( 7 ) to generate experimental control algorithms and - the control device ( 6 ), bypassing the regulatory unit ( 5 ) and given default spacecraft ( 1 ) with the generated experimental control signals for the experimental position and / or attitude control of the spacecraft ( 1 ) head for. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eine Empfangseinheit (10) aufweist, die zum Empfangen von durch eine Bodenstation (21) an das Weltraumfahrzeug (1) gesendeten experimentellen Regelungsalgorithmen ausgebildet ist, wobei die Experimentiervorrichtung (7) zum Hinterlegen der empfangenen experimentellen Regelungsalgorithmen in einem Speicher (11) eingerichtet ist. Spacecraft ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the experimental device ( 7 ) a receiving unit ( 10 ) received by a ground station ( 21 ) to the spacecraft ( 1 ) experimental control algorithms is formed, wherein the experimental device ( 7 ) for storing the received experimental control algorithms in a memory ( 11 ) is set up. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eine Verifikationseinheit (12) aufweist, die zur Verifikation der mittels der experimentellen Steuersignale durchgeführten Positions- und/oder Lageregelungsexperimente des Weltraumfahrzeuges in Abhängigkeit von einem in einem Speicher (11) der Experimentiervorrichtung (7) hinterlegten Regelungsziel eingerichtet ist.Spacecraft ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the experimental device ( 7 ) a verification unit ( 12 ), which is used to verify the spacecraft position and / or attitude control experiments carried out by means of the experimental control signals as a function of one in a memory ( 11 ) of the experimental device ( 7 ) stored control target is set up. Weltraumfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eine Sicherheitsbewertungseinheit (9) hat, die zur Ermittlung eines Sicherheitsrisikos des Weltraumfahrzeuges (1) in Abhängigkeit von den generierten experimentellen Steuersignalen unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandes des Weltraumfahrzeuges (1) eingerichtet ist.Spacecraft ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the experimental device ( 7 ) a safety assessment unit ( 9 ), which is used to identify a security risk of the spacecraft ( 1 ) in dependence on the generated experimental control signals taking into account the current state of the spacecraft ( 1 ) is set up. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eingerichtet ist, die Steuervorrichtung (6) in Abhängigkeit von dem ermittelten Sicherheitsrisiko mit den experimentellen Steuersignalen anzusteuern.Spacecraft ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the experimental device ( 7 ), the control device ( 6 ) depending on the identified security risk with the experimental control signals. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eingerichtet ist, die Steuerungsvorrichtung (6) mit den aus der Regelungseinheit (5) auf Grundlage der Standardregelung generierten Steuersignalen zur Positions- und/oder Lageregelung des Weltraumfahrzeuges (1) anzusteuern, wenn das Sicherheitsrisiko einen Schwellenwert überschreitet.Spacecraft ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the experimental device ( 7 ), the control device ( 6 ) with those from the control unit ( 5 ) based on the standard control generated control signals for position and / or attitude control of the spacecraft ( 1 ) if the security risk exceeds a threshold. Weltraumfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) eine Kommunikationseinheit (10) zum Aufbau einer Kommunikationsverbindung (22, 23) mit einer Bodenstation (21) aufweist.Spacecraft ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the experimental device ( 7 ) a communication unit ( 10 ) for establishing a communication connection ( 22 . 23 ) with a ground station ( 21 ) having. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) zum Empfangen von Steuerbefehlen über die Kommunikationsverbindung der Kommunikationseinheit (10) und zum Ausführen der empfangenen Steuerbefehle eingerichtet ist.Spacecraft ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the experimental device ( 7 ) for receiving control commands via the communication link of the communication unit ( 10 ) and configured to execute the received control commands. Weltraumfahrzeug (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentiervorrichtung (7) zum Erfassen von Experimentdaten und zum Übertragen der Experimentdaten an eine Bodenstation (21) über die Kommunikationsverbindung der Kommunikationseinheit (10) eingerichtet ist.Spacecraft ( 1 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the experimental device ( 7 ) for acquiring experimental data and transmitting the experimental data to a ground station ( 21 ) via the communication connection of the communication unit ( 10 ) is set up.
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EP0569205A1 (en) * 1992-05-02 1993-11-10 Mms Space Systems Limited Spacecraft control apparatus

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