This thesis evaluates an existing state feedback controller designed for the CubeSat MOVE-II. In addition, the control system is further developed and a variety of control strategies are evaluated. The goal is to achieve a pointing accuracy of 5° and a guaranteed convergence to the desired attitude within the domain of the nonlinear system. The evaluated concepts are restricted to low earth orbits for small satellites utilizing magnetic actuation only. Furthermore, a spin stabilization around a non-principal axis of inertia is assumed. The presence of sensor noise and external disturbances, especially the residual magnetic dipole, are considered. The existing controller is analyzed for different orbits and the convergence rate for randomized initial conditions is obtained in a Monte Carlo simulation. A new gain is developed for the state feedback controller under consideration of the system requirements for MOVE-II. Furthermore, the concepts of residual magnetic dipole moment compensation, the use of an Extended Kalman Filter and a new operation point switching strategy are proposed in order to increase the pointing accuracy and convergence rate. Three nonlinear control laws based on different Lyapunov functions are evaluated. One of them is selected as an implementation candidate. A Software-in-the-Loop and a Hardware-in-the-Loop simulation successfully verifies this candidate for use on the flight hardware as part of the control firmware. It is found that the existing controller is sensitive to inclination changes of the orbit. Furthermore, with an average pointing accuracy of 5.8° and a corresponding variance of 4.3 deg^2 it does not fulfill the stated goal. In total, 69% of the evaluated cases converge to the desired attitude. The linear controller with the new gain and extensions attains a pointing accuracy of 3° with a variance of 0.38 deg^2. It converges in 80% of the cases. The nonlinear implementation candidate shows convergence in all Monte Carlo simulation runs and achieves a final pointing accuracy of 3.3° with a variance of 2.3 deg^2. Furthermore, a Hardware-in-the-Loop simulation shows that this controller is stable in the presence of large delays and with low numeric precision. It also shows to be compatible with the existing firmware of MOVE-II. Dynamically updateable control parameters render this implementation interesting to satellite operators.     «

This thesis evaluates an existing state feedback controller designed for the CubeSat MOVE-II. In addition, the control system is further developed and a variety of control strategies are evaluated. The goal is to achieve a pointing accuracy of 5° and a guaranteed convergence to the desired attitude within the domain of the nonlinear system. The evaluated concepts are restricted to low earth orbits for small satellites utilizing magnetic actuation only. Furthermore, a spin stabilization around a...     »

Diese Arbeit analysiert einen bestehenden Zustandsregler, der für den CubeSat MOVE-II entwickelt wurde. Darüber hinaus wird das Regelungssystem weiterentwickelt und eine Vielzahl von Regelungsstrategien werden evaluiert. Ziel ist es, eine Regelgenauigkeit von 5° zu erreichen und eine Konvergenz zur angestrebten Lage in der Domäne des nichtlinearen Systems zu garantieren. Die evaluierten Konzepte sind auf niedrige Erdumlaufbahnen für Kleinsatelliten beschränkt, welche ausschließlich über magnetische Aktuatoren verfügen. Darüber hinaus wird eine Spinstabilisierung um eine Rotationsachse, welche nicht mit einer der Hauptachsen zusammenfällt, angenommen. Das Vorhandensein von Sensorrauschen und äußere Störungen, insbesondere der magnetische Restdipol, werden berücksichtigt. Der bestehende Regler wird für verschiedene Erdumlaufbahnen analysiert und eine Monte-Carlo Simulation liefert die Konvergenzrate für randomisierte Anfangsbedingungen. Unter der Berücksichtigung der Systemanforderungen von MOVE-II wird ein neues Gain für den Zustandsregler entwickelt. Weiterhin werden Konzepte zur Kompensation des magnetischen Restdipols, der Verwendung eines erweiterten Kalmanfilters und eine neue Strategie zur Wahl des Arbeitspunktes vorgeschlagen, um die Regelgenauigkeit und die Konvergenzrate zu erhöhen. Drei nichtlineare Regelgesetze, basierend auf verschiedenen Lyapunovfunktionen, werden evaluiert. Eine davon wird wird als Implementierungskandidat ausgewählt. Eine Software-in-the-Loop und eine Hardware-in-the-Loop Simulation verifizieren diesen Kandidaten für einen erfolgreichen Einsatz auf der Flughardware als Teil der Regelungsfirmware. Die Ergebnisse zeigen, dass der bestehende Regler sensitiv auf Änderungen der Inklination der Erdumlaufbahn reagiert. Weiterhin erfüllt er mit einer durchschnittlichen Regelgenauigkeit von 5,8° und einer zugehörigen Varianz von 4,3 Grad^2 nicht das gesetzte Ziel. In 69% der evaluierten Fälle konvergiert er nicht zur angestrebten Lage. Der lineare Regler mit dem neuen Gain und den vorgeschlagenen Erweiterungen erreicht eine Regelgenauigkeit von 3° mit einer Varianz von 0,38 Grad^2. Er konvergiert in 80% der Fälle. Der nichtlineare Implementierungskandidat zeigt ein konvergentes Verhalten in allen Monte-Carlo Simulationsläufen und erreicht einen endgültigen Regelfehler von 3,3° mit einer Varianz von 2,3 Grad^2. Weiterhin zeigt eine Hardware-in-the-Loop Simulation, dass dieser Regler stabil bleibt unter dem Einfluss von großen Verzögerungszeiten und geringer numerischer Präzision. Sie zeigt auch, dass der Regler kompatibel mit der existierenden Firmware von MOVE-II ist. Dynamisch aktualisierbare Regelungsparameter machen diese Implementierung für Satellitenbetreiber interessant.     «

Diese Arbeit analysiert einen bestehenden Zustandsregler, der für den CubeSat MOVE-II entwickelt wurde. Darüber hinaus wird das Regelungssystem weiterentwickelt und eine Vielzahl von Regelungsstrategien werden evaluiert. Ziel ist es, eine Regelgenauigkeit von 5° zu erreichen und eine Konvergenz zur angestrebten Lage in der Domäne des nichtlinearen Systems zu garantieren. Die evaluierten Konzepte sind auf niedrige Erdumlaufbahnen für Kleinsatelliten beschränkt, welche ausschließlich über magnetis...     »