The power budget of a spacecraft is a plan about the balance of its incoming and consumed energy and needs careful planning for a successful mission. The required energy is usually collected using solar cells. If the harvested solar energy is more than what is needed to complete the mission, then the spacecraft is called power positive. However, proving power positivity is not an easy task due to the complexity of the factors that influence the amount of incoming and outgoing energy, such as the spacecraft’s power consumption profile, the amount of available solar energy and the efficiency of energy harvesting. Therefore, a tool for verifying a power budget through physical measurements rather than mathematical computations, is extremely useful. In this thesis project, a solar array simulator is developed, which supports the power budget verification of MOVE II, a microsatellite built by students at the Technical University of Munich. A solar array simulator (SAS) is a special power supply, which, instead of providing constant voltage or current, tries to mimic the behavior of an array of photovoltaic cells (a solar array). The SAS developed here integrates into a Simulink-based hardware-in-the-loop (HiL) simulation environment that physically interacts with the satellite’s engineering model. A computer in the HiL setup simulates the satellite orbit and the SAS reproduces the electrical behavior of the solar cells that MOVE II is normally powered from. This way, the power budget of the satellite can be verified by observations. First, the structure of the test setup that should be used for the power budget verification is planned based on an existing HiL environment, which was originally created to test the attitude determination and control system of MOVE II. Then, requirements against the SAS are determined by investigating the properties of the MOVE II electrical power system (EPS) and the satellite’s solar cells. Next, the problem is broken down into the design of multiple submodules of the simulator, such as its analog output stage, its digital controller unit and different levels of software running on the controller. The device is then constructed, programmed and tested. In order to accurately reproduce the behavior of the MOVE II solar cells, a mathematical method to determine the cells’ voltage-current characteristic curve is presented, implemented and evaluated. As the final design step, the SAS is equipped with a network interface that allows it to interact with the HiL simulation. The device is then integrated into the HiL setup and is used to execute power budget verification tests, which show power positive results for two of the most important operational modes of the satellite. Finally, possibilities for future improvement of the device are discussed.     «

The power budget of a spacecraft is a plan about the balance of its incoming and consumed energy and needs careful planning for a successful mission. The required energy is usually collected using solar cells. If the harvested solar energy is more than what is needed to complete the mission, then the spacecraft is called power positive. However, proving power positivity is not an easy task due to the complexity of the factors that influence the amount of incoming and outgoing energy, such as the...     »

Das Power Budget eines Weltraumfahrzeugs ist die Bilanz seiner eingesammelten und verbrauchten Energie und muss für eine erfolgreiche Mission genau geplant werden. Wenn die eingesammelte Energie, die üblicherweise durch Solarzellen erzeugt wird, über der benötigten Energie liegt, wird das Power Budget als positiv bezeichnet. Jedoch ist es oft sehr kompliziert zu beweisen, dass das Power Budget eines Gerätes positiv ist, wegen der vielen relevanten Faktoren, wie z.B. der Leistungsverbrauch, die Menge der verfügbaren Sonnenenergie oder die Effizienz, mit der diese Energie eingesammelt wird. Deshalb ist eine Methode, die die Verifizierung des Power Budgets durch Messungen statt mathematischer Berechnungen erlaubt, sehr nützlich. In dieser Masterarbeit wird ein Solarzellensimulator entwickelt, der die Verifikation des Power Budgets von MOVE II ermöglicht, einem an der Technischen Universität München von Studenten gebauten Mikrosatelliten. Ein Solarzellensimulator ist ein spezielles Netzteil, das das Verhalten von Solarzellen nachahmt, statt feste Spannungen und Ströme zu erzeugen. Der hier entwickelte Solarzellensimulator wird Teil einer Simulink-basierten Hardware-in-the-Loop (HiL) Testumgebung, welche direkt mit dem Engineering Model von MOVE II zusammenwirkt. Ein Computer im HiL-System simuliert die Umlaufbahn des Satelliten und der Solarzellensimulator reproduziert dementsprechend das elektrische Verhalten der Solarzellen, von denen MOVE II im normalen Betrieb durch Strom versorgt wird. So kann das Power Budget durch Beobachtungen überprüft werden. Ein HiL-System für MOVE II ist bereits vorhanden, und es wurde ursprünglich konstruiert, um das Lageregelungssystem des Satelliten zu testen. Zunächst wird es geplant, wie dieses System erweitert werden kann, um Power-Budget-Tests ausführen zu können. Danach wird die Spezifikation des Solarzellensimulators definiert, basierend auf den Eigenschaften des Stromversorgungssystems von MOVE II und der zu simulierenden Solarzellen. Als nächster Schritt werden die einzelnen logischen Einheiten des Geräts entworfen, wie z.B. die analoge Ausgangsstufe, oder die Hardware und die Software des digitalen Controllers. Das Gerät wird dann gebaut, programmiert und getestet. Um das Verhalten der Solarzellen von MOVE II möglichst genau nachzubilden, wird eine mathematische Methode für die Berechnung der Strom-Spannung-Charakteristik der Zellen vorgestellt, implementiert und evaluiert. Danach wird der Simulator mit einem Netzwerkinterface versehen, das die Kommunikation mit dem Simulationsrechner ermöglicht. Das Gerät wird dann in die HiL-Umgebung integriert und es wird zum Ausführen von Tests benutzt, welche ein positives Power Budget für die zwei wichtigsten Betriebsmodi des Satelliten verifizieren. Schließlich werden Möglichkeiten zur künftigen Verbesserung des Gerätes diskutiert.     «

Das Power Budget eines Weltraumfahrzeugs ist die Bilanz seiner eingesammelten und verbrauchten Energie und muss für eine erfolgreiche Mission genau geplant werden. Wenn die eingesammelte Energie, die üblicherweise durch Solarzellen erzeugt wird, über der benötigten Energie liegt, wird das Power Budget als positiv bezeichnet. Jedoch ist es oft sehr kompliziert zu beweisen, dass das Power Budget eines Gerätes positiv ist, wegen der vielen relevanten Faktoren, wie z.B. der Leistungsverbrauch, die M...     »