The increasing demand of small satellites, such as CubeSats, in the past years draws attention to the demanding challenges regarding their attitude determination. Good attitude determination sensors exist, which fulfill the requirements stated by small satellites, but there are still promising technologies which are available only for larger satellites. The Coarse Earth Sun Sensor (CESS) by SpaceTech uses a technology concept, which determines the direction of the Sun and of Earth by measuring radiation with thermometers and photo diodes. It has an extensive flight heritage, but is not available for small satellites. This thesis therefor scrutinizes the practicability of applying the CESS concept to a sensor for small satellites using low cost components. The Thermo-Optical Sun and Earth Sensor (TOSS) serves as basis. It uses two thermometers and a photo diode to determine a satellites attitude. The thesis contains modeling of a TOSS for small satellites, the model’s verification and simulation based on the model to assess uncertainties in the attitude determination. To be able to describe the sensor, the basics of heat transfer and photometry are explained. Wavelength dependent physical properties were modeled spectral to distinguish between different radiation spectra. The model’s geometric and numerical structure is given and the numerical methods used are explained. The numerical methods and the used model parameters are correlated and verified with experimental data and simple generic test cases. The verified model was then used for simulations and sensitivity analyses which gave insight into the sensor’s uncertainties due to parameter variations. The simulations show that the TOSS can reach an accuracy which is sufficient to qualify it as a coarse sensor for the direction of both Sun and Earth and to confirm the concept. The boundaries in which the sensor functions properly are determined. The uncertainties in attitude measurements due to Earth’s albedo radiation and Earth’s infrared emission are quantified and show to be minor compared to uncertainties from other model parameters. Characterizing the sources of uncertainties, it becomes apparent that the sensor still requires development to become a viable attitude determination sensor for future missions. The model developed and verified in this thesis and its simulation results can help making the right improvements.     «

The increasing demand of small satellites, such as CubeSats, in the past years draws attention to the demanding challenges regarding their attitude determination. Good attitude determination sensors exist, which fulfill the requirements stated by small satellites, but there are still promising technologies which are available only for larger satellites. The Coarse Earth Sun Sensor (CESS) by SpaceTech uses a technology concept, which determines the direction of the Sun and of Earth by measuring...     »

Die steigende Popularität kleiner Satelliten über die letzten Jahre lenkt zunehmend Aufmerksamkeit auf deren Lagebestimmungssysteme und die hohen Anforderungen an diese. Zwar existieren gute Lagebestimmungssensoren, die die Anforderungen für kleine Satelliten erfüllen, es gibt jedoch weiter vielversprechende Technologien, die bislang nur für größere Satelliten verfügbar sind. Der Grobe Erd und Sonnen Sensor (CESS) von SpaceTech nutzt das Konzept der Bestimmung von Erd- und Sonnenrichtung mittels Thermometern und Fotodioden. Er ist flugerprobt, ist jedoch nicht für kleine Satelliten verfügbar. Diese Arbeit untersucht deshalb die Anwendbarkeit des CESS-Konzepts auf einen Sensor aus günstigen Bauteilen für kleine Satelliten. Der Thermo-Optische Sonnen- und Erdsensor (TOSS), der zwei Thermometer und eine Fotodiode verwendet, bildet dafür die Grundlage. In dieser Arbeit wird die Modellierung des TOSS beschrieben, die Verifikation des Modells dargelegt und eine Bestimmung der Unsicherheiten in der Lagebestimmung mit Hilfe von Simulationen durchgeführt. Um den Sensor umfassend beschreiben zu können, werden die Grundlagen von Wärmeübertragung und Photometrie erklärt. Physikalische Eigenschaften, die theoretisch wellenlängenabhängig sind, wurden spektral modelliert. Die geometrische und numerische Struktur des Modells und die angewandten numerischen Methoden werden erklärt. Mit einfachen Beispielfällen und experimentellen Daten werden die numerischen Methoden und die benutzten Modellparameter verifiziert. Das verifizierte Modell wurde für Simulationen und Einflussanalysen benutzt, um Unsicherheiten in der Lagebestimmung auf Grund von Variationen in den Modellparametern zu bestimmen. Die Simulationen zeigen, dass der TOSS eine Genauigkeit erreichen kann, die für einen groben Lagebestimmungssensor für Erd- und Sonnenrichtung ausreichend ist und bestätigen das Konzept. Die Grenzen, in denen der Sensor funktioniert, wurden bestimmt. Die Unsicherheiten in der Lagebestimmung durch Albedostrahlung und die Infrarotemission der Erde wurden quantifiziert und sie sind gering im Vergleich zu den Unsicherheiten auf Grund anderer Modellparameter. Durch eine Bestimmung der Art der Unsicherheiten wurde verdeutlicht, dass der Sensor noch Entwicklungspotential besitzt. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell und die Simulationen mit ihm können helfen, ihn zu verbessern und zu einem flugtauglichen Sensor weiter zu entwickeln.     «

Die steigende Popularität kleiner Satelliten über die letzten Jahre lenkt zunehmend Aufmerksamkeit auf deren Lagebestimmungssysteme und die hohen Anforderungen an diese. Zwar existieren gute Lagebestimmungssensoren, die die Anforderungen für kleine Satelliten erfüllen, es gibt jedoch weiter vielversprechende Technologien, die bislang nur für größere Satelliten verfügbar sind. Der Grobe Erd und Sonnen Sensor (CESS) von SpaceTech nutzt das Konzept der Bestimmung von Erd- und Sonnenrichtung mittel...     »