Zukünftige Missionen zur Entfernung von Weltraummüll, oder Service-Missionen im Orbit zum Auftanken, Reparieren oder um veraltete oder fehlfunktionierende Satelliten aus dem Orbit zu entfernen, benötigen Nah-bereichs-Operation und, abschließend, Andocken an nicht-kooperative Weltraumfahrzeuge. Die größte Herausforderung für diese Operationen ist die nicht-kooperative Eigenschaft des Zielsatelliten, da er nicht mit sichtbaren Markern für Lage und Abstand ausgerüstet ist, nicht mit dem Verfolger kommuniziert, und eventuell rotiert oder um seine Hauptachsen taumelt. Bisherige robotische Weltraumsysteme haben Nahbereichsoperationen und Andocken entweder mit kooperativen oder teil-kooperativen und lagestabilisierten Zielsatelliten während Testmissionen durchgeführt, nachdem sie unvorhergesehene Vorfälle mit Bodenunterstützung überwinden konnten. Die Fähigkeit, autonom an nicht-kooperativen Weltraum-Fahrzeugen heranzufliegen und mit ihnen zu docken wurde von NASA als eine interdisziplinäre Hochprioritäts-Technologie für das Jahrzehnt 2011-2021 und darüber hinaus definiert. Autonome Systeme wären in der Lage, die Mehrheit des Weltraummülls oder ausgediente Satelliten mit Hilfe der-selben Algorithmen und Methoden zu entsorgen. Daher können die meisten Service-Missionen mit der gleichen Satellitenart durchgeführt werden. Das würde häufige Servicemissionen ermöglichen.
Diese Forschungsarbeit basiert auf der Hypothese, dass es möglich ist, ein komplettes Steuerungs-, Navigations- und Kontrollsystem zu entwickeln, welches fähig ist, autonome Nahbereichsoperationen zu nicht-kooperativen Weltraumzielen durchzuführen. Um Methoden für sichere und verlässliche Nahbereichs-Operationen zu nicht-kooperativen Weltraumzielen zu untersuchen, wird ein innovatives Steuerungs-, Navigations- und Kontrollsystem Schritt für Schritt entwickelt, implementiert und verifiziert.
Der erste Teil der Forschung entwickelt den Steuerungsalgorithmus zur bordgestützten Erzeugung der Anflugs-Trajektorie. Zunächst wird das dynamische Modell für Nahberichtsoperationen zwischen dem verfolgenden Weltraumfahrzeug und dem unkontrollierten Zielfahrzeug definiert. Das Modell beinhaltet Pfadeinschränkungen für sicheres Manövrieren. Als spezieller Test wurde das Andocken betrachtet. Basierend auf diesem Modell und den Anforderungen für das Steuerungs-, Navigations- und Kontrollsystem wurde eine Methode für die schnelle Trajektoriengeneration aus den dem Stand der Technik entsprechenden Methoden ausgewählt. Das Hauptmerkmal des gewählten Algorithmus ist die durch Polynome parametrisierte Trajektorie des Verfolgers. Die Polynomkoeffizienten werden unter Berücksichtigung der Wegbeschränkungen anhand des dynamischen Modells des Anflugmanövers und eines nichtlinearen Programmierlösers. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Variablen kann die die Optimierung von 6 Freiheitsgraden zwischen 0.5 s und 9.0 s durchgeführt werden. Der Grad der Optimierung, Manöverpräzession und Robustheit zu Umlaufbahnstörungen und Sensorrauschen werden durch ausführliche numerische Experimente untersucht.
Der zweite Teil der Forschung konzentriert sich auf das Navigationssystem. Die Algorithmen, inklusive des Navigationsfilters, für die modellbasierende Lageabschätzung werden unter Nutzung von Lidar, Stereo- und Monobild-kameras separat entwickelt. Diese Sensoren werden berücksichtigt, da sie dem Stand der Technik terrestrischer robotischer Systeme entsprechen. Die Performance der vorgeschlagenen Methoden werden in einer experimentellen Versuchsreihe unter Nutzung des RACOON Labors durchgeführt, wel-ches Echtzeitsimulation der Nahbereichsoperationen für alle Freiheitsgrade unter realen Beleuchtungssituationen in Hardware zur Verfügung stellt. Anhand der Testresultate kann der geeignetste Sensor und die damit zusammenhängende Lageabschätzungsmethode gewählt werden, was wiederum das Steuerungs-, Navigations- und Kontrollsystem vervollständigt.
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Zukünftige Missionen zur Entfernung von Weltraummüll, oder Service-Missionen im Orbit zum Auftanken, Reparieren oder um veraltete oder fehlfunktionierende Satelliten aus dem Orbit zu entfernen, benötigen Nah-bereichs-Operation und, abschließend, Andocken an nicht-kooperative Weltraumfahrzeuge. Die größte Herausforderung für diese Operationen ist die nicht-kooperative Eigenschaft des Zielsatelliten, da er nicht mit sichtbaren Markern für Lage und Abstand ausgerüstet ist, nicht mit dem Verfolger k...
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