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Modellierung von orbitalen Umwelteinflüssen Meike List 12.12.2014 Stuttgart
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Modellierung von orbitalen Umwelteinflüssen
Meike List 12.12.2014 Stuttgart
Motivation
Zukünftige Satellitenmissionen (LISA, MICROSCOPE, GRACE Follow-On, ...) liefern neue Messdaten mit höherer Genauigkeit aufgrund verbesserter Standards oder neuer Technologien Simulationen werden benötigt für die... - … “Entwicklung” → Analyse und Entwicklung von z.B. AOCS, sowie die Validierung des Gesamtsystems → Thermalhaushalt - … “Wissenschaft” → Fehleranalyse → Datenreduktion und -auswertung → In-Flight Monitoring
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Outline
→ Simulation einer Satellitenmission → High Performance Satellite Dynamics Simulator → Beispielmission: MICROSCOPE → Die Arbeitsgruppe “Micro Satellite Systems and Modelling Methods” → Die Zukunft…
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Simulation einer Satellitenmission
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Simulation einer Satellitenmission
Orbitdynamik
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Simulation einer Satellitenmission
Orbitdynamik
Gravitationsfeld der Erde
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Simulation einer Satellitenmission
Orbitdynamik
Solarer Strahlungsdruck und Eklipse
Gravitationsfeld der Erde
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Simulation einer Satellitenmission Gravitationsfeld der Erde
Solarer Strahlungsdruck und Eklipse
Orbitdynamik
Erdatmosphäre Erdatmosphäre
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Simulation einer Satellitenmission
Erdmagnetfeld
Gravitationsfeld der Erde
Erdatmosphäre
Orbitdynamik
Solarer Strahlungsdruck und Eklipse
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Simulation einer Satellitenmission
Magnetic field
Albedo
Gravitationsfeld der Erde
Erdatmosphäre
Orbitdynamik
Solarer Strahlungsdruck und Eklipse
Erdatmosphäre
Erdmagnetfeld
Erdalbedo
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Simulation einer Satellitenmission
Erdatmosphäre
Albedo
Payload
Gravitationsfeld der Erde
Orbitdynamik
Solarer Strahlungsdruck und Eklipse
Erdatmosphäre
Erdalbedo
Erdmagnetfeld
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High Performance Satellite Dynamics Simulator
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High Performance Satellite Dynamics Simulator
Satelliten- und Testmassendynamik
Hilfsfunk-tionen
Umweltmodelle und resultierende Störkräfte
und -momente
Sensoren und Aktuatoren
MICROSCOPE
→ ESA/CNES Satellitenmission → Proposal von ONERA und OCA → Beteiligung von ZARM und PTB → Test des Schwachen Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von η = 10E-15 → Übersicht: → sonnensynchroner Orbit (Inklination 98.248ᵒ) → Flughöhe 700 km
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MICROSCOPE
→ ESA/CNES Satellitenmission → Proposal von ONERA und OCA → Beteiligung von ZARM und PTB → Test des Schwachen Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von η = 10E-15 → Übersicht: → sonnensynchroner Orbit (Inklination 98.248ᵒ) → Flughöhe 700 km → Payload: T-SAGE (Twin Satellite Accelerometer for Gravitation Experimentation)
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MICROSCOPE
→ Verwendung des HPS zur Charakterisierung der umweltbedingten Konditionen im Orbit Vorbereitung der Datenanalyse → Validierung der implementierten Testmassendynamik
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MICROSCOPE
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Satellite dynamics
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Satellite dynamics
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Beispiel: Einfluss des Modelldesigns
→ Nutzung einer diskretisierten Satellitenoberfläche → Reflektionskoeffizienten müssen für jede beleuchtete Oberläche spezifiziert und angewendet werden → Schattenbereiche und beleuchtete Flächenstücke werden in Abhängigkeit der Beleuchtungsverhältnisse berechnet
Box model
FE model
Am Anfang des Jahres beträgt der Unterschied zwischen dem “Box-Model” und dem “FE-Model” ca. 12%, die Differenz zwischen dem “Box-Model” und einem einfachen Ansatz (Referenzfläche) beträgt 35%.
Um die realen Orbitkonditionen zu simulieren müssen nicht nur Umweltmodelle dauerhaft “gewartet” werden. Auch “geometrische” Modelle müssen entwickelt und an neue Entwicklungen angepasst werden.
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Beispiel: Einfluss des Modelldesigns
Größe des beleuchteten Areals des MICROSCOPE Satelliten
Stärke des Solaren Strahlungsdrucks.
Frequency Analysis of the system's differential mode signal
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Frequency Analysis of the system's differential mode signal
Frequency Analysis of the system's differential mode signal
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Zusammenfassung
→ Die Simulation eines realen Orbitszenarios beinhaltet (i) die Berücksichtigung sämtlicher Umwelteinflüsse (ii) die Modellierung der geometrischen und technischen Eigenschaften der betrachteten Satellitenmission → Eine sog. “End-to-end-Simulation” ist für die wissenschaftliche Analyse und Interpretation der gemessenen Daten unerlässlich “Mock Data Challenge” → Der direkte Nutzen ist häufig erst während der laufenden Mission erkennbar (Antworten auf Fragen bzgl. Orbitkonditionen und den daraus resultierenden Reaktionen des Systems)
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Die Arbeitsgruppe „Micro Satellite Systems and Modelling Methods“
Gruppenleiter
Dr.-Ing. Benny Rievers
Dipl.-Ing. Stefanie Bremer Dipl.-Phys. Hanns Selig Dr. Takahiro Kato
Dr. Meike List
Mitglieder
Studentische Hilfskräfte
Studenten “Master/Bachelor of Science” and “Master/Bachelor of Engineering”
Doktorand N.N.
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Die Zukunft...
→ Numerische Lösung von den Einsteinschen Feldgleichungen (Bosonensterne als Kandidaten Dunkler Materie): Beitrag zum geplanten SFB “Black Holes in their Environment” → Numerische Untersuchung der Gross-Pitaevskii-Newton Gleichungen als Model für “Selbstgravitierende Bose-Einstein-Kondensate” → Gravito-magnetischer Uhreneffekt (Galileo Satelliten) → MICROSCOPE (DLR und DFG bis Mitte 2018 bzw. Mitte 2016) → Satellitenschwärme (GRACE und GRACE-FollowOn): SFB 1128 bis Mitte 2018 → Softwareentwicklung und Softwaredesign (HPS und HPS-SG)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
