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- Dokumenttyp:
- Semesterarbeit
- Autor(en):
- Koch, Johannes
- Titel:
- Correlation of the MOVE-II Digital Twin with In-Orbit Telemetry
- Übersetzter Titel:
- Korrelation des Digitalen Zwillings von MOVE-II mit In-Orbit-Telemetrie
- Abstract:
- The Munich Orbital Verification Experiment 2 (MOVE-II) satellite is a student-designed, built, and tested 1U-CubeSat from the Chair of Astronautics (LRT) of the Technical University of Munich (TUM). It was launched on December 3, 2018, after a development period of over three years. Its payload consists of 4-junction solar cells to be tested in the near-Earth space environment. Shortly after the launch, it was found, first, that communication with the satellite did not function as anticipated and, second, that the angular velocity tended to increase steadily due to an unfavorable routing of the solar panels' current-carrying cables. Nevertheless, the satellite's angular velocity was reduced to a normal level within a few months. However, this regulation must be carried out continuously, otherwise the satellite tends to continuously increase its angular velocity. It is not just the satellite's inability to remain in sunpointing mode for an extended period of time that causes MOVE-II to operate unstably. Significantly lower temperatures than expected before launch also ensure that the already tight battery budged is not sufficient to guarantee stable operation in the Earth's shadow. This becomes particularly clear in the analysis of the orbit data carried out here. At the present time (as of August 2022), more than three years have passed since the launch of the satellite. During this time, thanks to the mission control team, a lot of data about the status of the satellite and its sensors has been collected, which were received by MOVE-II and stored in a database. Some of these are analyzed as part of this work. The data shows that the operating time of the satellite rarely exceeds the duration of one orbit and has also steadily decreased over the years. This indicates a degradation of the battery, which could also be confirmed by a noticeable increase of the internal resistance. In addition, the temperature of the battery was analyzed over the entire mission duration. These are most likely caused by a combination of the influence of the elliptical Earth orbit and a variation of the duration of the satellite in the Earth's shadow per orbit over the year. Over the period of the last few years, a simulation model of the satellite has been created to replicate it as accurately as possible in terms of attitude control, power electronics and temperature. Especially the simple thermal simulation of the "Digital Twin" was successfully correlated with the orbit data, with the result that the battery temperature can be predicted with an average Root Mean Square Error (RMSE) of 2.10 K. This result settles in the higher accuracy spectrum compared to the correlation of much more complex simulation models. This was achieved solely by adjusting the simulated emissivity and absorptivity of the satellite's outer shell from originally εext,IR = αext,sol = 0.7 to εext,IR = 0.79 and αext,sol = 0.62. Further modification of the heat transfer between the outer and inner nodes of the simulation, as well as an adjustment of the specific heat capacities did not yield any further improvement of the correlation.
- übersetzter Abstract:
- Der Satellit Munich Orbital Verification Experiment 2 (MOVE-II) ist ein von Studenten entworfener, gebauter und getesteter 1U-CubeSat aus dem Lehrstuhl für Raumfahrttechnik (LRT) der Technischen Universität München (TUM). Er wurde am 3. Dezember 2018 nach einer Entwicklungsphase von über drei Jahren gestartet. Seine Nutzlast besteht aus 4-Junction-Solarzellen, die in der erdnahen Weltraumumgebung getestet werden sollen. Kurz nach dem Start musste zum einen festgestellt werden, dass die Kommunikation mit dem Satelliten nicht wie erhofft funktionierte und zum anderen, dass die Winkelgeschwindigkeit aufgrund einer ungünstigen Verlegung der stromführenden Kabel der Solarpaneele dazu neigt, sich stetig zu erhöhen. Dennoch konnte die Winkelgeschwindigkeit des Satelliten innerhalb von einigen Monaten auf ein normales Maß reduziert werden. Diese Regelung muss jedoch kontinuierlich durchgeführt werden, da der Satellit ansonsten dazu neigt, seine Winkelgeschwindigkeit stetig zu erhöhen. Nicht allein die Unfähigkeit des Satelliten über einen längeren Zeitraum hinweg im sunpointing Modus zu verweilen, führt zu einem instabilen Betrieb von MOVE-II. Auch sorgen deutlich niedrigere Temperaturen als vor dem Start prognostiziert dafür, dass die ohnehin knapp bemessene Batteriekapazität nicht ausreichend ist, um einen stabilen Betrieb im Erdschatten zu gewährleisten. Besonders deutlich wird dies bei der hier durchgeführten Analyse der Orbitdaten. Seit dem Start des Satelliten sind zum jetzigen Zeitpunkt (Stand August 2022) bereits über drei Jahre vergangen. In dieser Zeit wurden dank des Mission Control Teams viele Daten über den Status des Satelliten und dessen Sensoren gesammelt, welche von MOVE-II empfangen wurden und in einer Datenbank abgespeichert. Ein Teil dieser wird im Rahmen dieser Arbeit analysiert. Diese Daten zeigen, dass die Betriebszeit des Satelliten nur selten über die Dauer eines Orbits hinausgeht und zudem über die Jahre stetig abgenommen hat. Dies deutet auf eine Degradation der Batterie hin, welche ebenfalls durch einen merklichen Anstieg des Innenwiderstands bestätigt werden konnte. Zudem wurde die Temperatur der Batterie über die gesamte Missionsdauer analysiert. Dabei erkenntlich geworden sind Schwankungen mit einer Periodizität von einem Jahr. Diese werden höchstwahrscheinlich durch eine Kombination aus dem Einfluss des elliptischen Erdorbits und einer Variation der Dauer des Satelliten im Erdschatten pro Orbit über das Jahr hinweg ausgelöst. Über den Zeitraum der letzten Jahre wurde ein Simulationsmodell des Satelliten entwickelt, welches diesen in möglichst exakter Weise in Form von Lageregelung, Leistungselektronik und Temperatur nachbilden soll. Vor Allem die einfach gehaltene Thermalsimulation des „Digital Twins“ wurde anhand der Orbitdaten erfolgreich korreliert, mit dem Ergebnis, dass die Batterietemperatur mit einem durchschnittlichen Root Mean Square Error (RMSE) von 2.10 K vorhergesagt werden kann. Dieses Resultat siedelt sich im Vergleich mit der Korrelation von deutlich komplexeren Simulationsmodellen im oberen Genauigkeitsspektrum an. Erreicht wurde dies allein durch eine Anpassung der simulierten Emissivität und Absorptivität der Außenschale des Satelliten von ursprünglich εext,IR = αext,sol = 0.7 auf εext,IR = 0.79 und αext,sol = 0.62. Eine weitere Modifikation des Wärmeübergangs zwischen des äußeren und inneren Knotens der Simulation, sowie eine Anpassung der spezifischen Wärmekapazitäten erbrachten keine weitere Verbesserung der Korrelation.
- Stichworte:
- correlation, digital twin, MOVE-II, telemetry, orbit data analysis, simulation
- Fachgebiet:
- MAS Maschinenbau
- DDC:
- 620 Ingenieurwissenschaften
- Betreuer:
- Kiesbye, Jonis
- Jahr:
- 2022
- Sprache:
- en
- Sprache der Übersetzung:
- de
- Hochschule / Universität:
- Technische Universität München
- Fakultät:
- TUM School of Engineering and Design
- TUM Einrichtung:
- Lehrstuhl für Raumfahrtechnik
- Annahmedatum:
- 16.09.2022
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