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Modellierung von orbitalen Umwelteinflüssen

Meike List 12.12.2014 Stuttgart

Motivation

Zukünftige Satellitenmissionen (LISA, MICROSCOPE, GRACE Follow-On, ...) liefern neue Messdaten mit höherer Genauigkeit aufgrund verbesserter Standards oder neuer Technologien Simulationen werden benötigt für die... - … “Entwicklung” → Analyse und Entwicklung von z.B. AOCS, sowie die Validierung des Gesamtsystems → Thermalhaushalt - … “Wissenschaft” → Fehleranalyse → Datenreduktion und -auswertung → In-Flight Monitoring

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Outline

→ Simulation einer Satellitenmission → High Performance Satellite Dynamics Simulator → Beispielmission: MICROSCOPE → Die Arbeitsgruppe “Micro Satellite Systems and Modelling Methods” → Die Zukunft…

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Simulation einer Satellitenmission

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Simulation einer Satellitenmission

Orbitdynamik

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Simulation einer Satellitenmission

Orbitdynamik

Gravitationsfeld der Erde

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Simulation einer Satellitenmission

Orbitdynamik

Solarer Strahlungsdruck und Eklipse

Gravitationsfeld der Erde

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Simulation einer Satellitenmission Gravitationsfeld der Erde

Solarer Strahlungsdruck und Eklipse

Orbitdynamik

Erdatmosphäre Erdatmosphäre

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Simulation einer Satellitenmission

Erdmagnetfeld

Gravitationsfeld der Erde

Erdatmosphäre

Orbitdynamik

Solarer Strahlungsdruck und Eklipse

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Simulation einer Satellitenmission

Magnetic field

Albedo

Gravitationsfeld der Erde

Erdatmosphäre

Orbitdynamik

Solarer Strahlungsdruck und Eklipse

Erdatmosphäre

Erdmagnetfeld

Erdalbedo

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Simulation einer Satellitenmission

Erdatmosphäre

Albedo

Payload

Gravitationsfeld der Erde

Orbitdynamik

Solarer Strahlungsdruck und Eklipse

Erdatmosphäre

Erdalbedo

Erdmagnetfeld

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High Performance Satellite Dynamics Simulator

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High Performance Satellite Dynamics Simulator

Satelliten- und Testmassendynamik

Hilfsfunk-tionen

Umweltmodelle und resultierende Störkräfte

und -momente

Sensoren und Aktuatoren

MICROSCOPE

→ ESA/CNES Satellitenmission → Proposal von ONERA und OCA → Beteiligung von ZARM und PTB → Test des Schwachen Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von η = 10E-15 → Übersicht: → sonnensynchroner Orbit (Inklination 98.248ᵒ) → Flughöhe 700 km

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MICROSCOPE

→ ESA/CNES Satellitenmission → Proposal von ONERA und OCA → Beteiligung von ZARM und PTB → Test des Schwachen Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von η = 10E-15 → Übersicht: → sonnensynchroner Orbit (Inklination 98.248ᵒ) → Flughöhe 700 km → Payload: T-SAGE (Twin Satellite Accelerometer for Gravitation Experimentation)

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MICROSCOPE

→ Verwendung des HPS zur Charakterisierung der umweltbedingten Konditionen im Orbit Vorbereitung der Datenanalyse → Validierung der implementierten Testmassendynamik

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MICROSCOPE

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Satellite dynamics

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Satellite dynamics

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Beispiel: Einfluss des Modelldesigns

→ Nutzung einer diskretisierten Satellitenoberfläche → Reflektionskoeffizienten müssen für jede beleuchtete Oberläche spezifiziert und angewendet werden → Schattenbereiche und beleuchtete Flächenstücke werden in Abhängigkeit der Beleuchtungsverhältnisse berechnet

Box model

FE model

Am Anfang des Jahres beträgt der Unterschied zwischen dem “Box-Model” und dem “FE-Model” ca. 12%, die Differenz zwischen dem “Box-Model” und einem einfachen Ansatz (Referenzfläche) beträgt 35%.

Um die realen Orbitkonditionen zu simulieren müssen nicht nur Umweltmodelle dauerhaft “gewartet” werden. Auch “geometrische” Modelle müssen entwickelt und an neue Entwicklungen angepasst werden.

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Beispiel: Einfluss des Modelldesigns

Größe des beleuchteten Areals des MICROSCOPE Satelliten

Stärke des Solaren Strahlungsdrucks.

Frequency Analysis of the system's differential mode signal

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Frequency Analysis of the system's differential mode signal

Frequency Analysis of the system's differential mode signal

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Zusammenfassung

→ Die Simulation eines realen Orbitszenarios beinhaltet (i) die Berücksichtigung sämtlicher Umwelteinflüsse (ii) die Modellierung der geometrischen und technischen Eigenschaften der betrachteten Satellitenmission → Eine sog. “End-to-end-Simulation” ist für die wissenschaftliche Analyse und Interpretation der gemessenen Daten unerlässlich “Mock Data Challenge” → Der direkte Nutzen ist häufig erst während der laufenden Mission erkennbar (Antworten auf Fragen bzgl. Orbitkonditionen und den daraus resultierenden Reaktionen des Systems)

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Die Arbeitsgruppe „Micro Satellite Systems and Modelling Methods“

Gruppenleiter

Dr.-Ing. Benny Rievers

Dipl.-Ing. Stefanie Bremer Dipl.-Phys. Hanns Selig Dr. Takahiro Kato

Dr. Meike List

Mitglieder

Studentische Hilfskräfte

Studenten “Master/Bachelor of Science” and “Master/Bachelor of Engineering”

Doktorand N.N.

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Die Zukunft...

→ Numerische Lösung von den Einsteinschen Feldgleichungen (Bosonensterne als Kandidaten Dunkler Materie): Beitrag zum geplanten SFB “Black Holes in their Environment” → Numerische Untersuchung der Gross-Pitaevskii-Newton Gleichungen als Model für “Selbstgravitierende Bose-Einstein-Kondensate” → Gravito-magnetischer Uhreneffekt (Galileo Satelliten) → MICROSCOPE (DLR und DFG bis Mitte 2018 bzw. Mitte 2016) → Satellitenschwärme (GRACE und GRACE-FollowOn): SFB 1128 bis Mitte 2018 → Softwareentwicklung und Softwaredesign (HPS und HPS-SG)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!