Entwurf eines groben Sonnensensors für Raumfahrtanwendungen

Abstract

Alle Raumfahrzeuge benötigen für die Navigation und Regelung während des Missionsflugs genaue Kenntnisse über ihre relative Lage und Orientierung zu anderen Himmelskörpern. Diese Informationen werden meist von optischen Sensoren zur Verfügung gestellt. Einer dieser Sensoren ist der grobe Sonnensensor, der wie der Name verraten lässt, die Sonne als Bezugspunkt wählt. Das Wort grob meint hierbei, dass die Positionsinformationen, die mittels eines Sonnenvektors angegeben werden, bis auf 10°genau sind. Da diese Sensoren in den meisten Raumfahrtsystemen Anwendung finden und ihre Anschaffung trotz der geringen Genauigkeit mit erheblichen Kosten verbunden sind, ist das DLR an der Entwicklung eines eigenen Sensors interessiert. Dieser soll vergleichbar zu den kommerziell erhältlichen Sonnensensoren sein, sich aber durch das Anpassen an diverse Begebenheiten in den verschiedensten Projekten einsetzten lassen. So sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welche grundlegenden Prinzipien es für die Sonnenvektorermittlung gibt und ob eine tiefergehende Auseinandersetzung mit dem Thema und dem Ziel der Kostenminimierung erfolgversprechend ist. Nach dem Darlegen der physikalischen Grundlagen wird im zweiten Kapitel auf diverse Realisierungsmöglichkeiten eingegangen und deren Vor- und Nachteile aufgezeigt. Im weiteren Verlauf wird eine spezielle Umsetzung näher betrachtet und dessen Funktionsprinzip praktisch anhand von Messreihen in einem Sonnensimulator nachgewiesen. Bei dem Entwurf handelt es sich um einen groben Sonnensensor auf Basis eines Position Sensitive Device. Dieser, ähnlich einer Fotodiode, flächig ausgedehnte Detektor produziert je nach Auftreffort eines Lichtpunktes positionsabhängige Ströme, die mittels einer Auswerteelektronik verstärkt/gewandelt und dem nachfolgendem Zentralcomputer in Form von analogen Spannungen zur Verfügung gestellt werden. Dort kann, unter Berücksichtigung verschiedener charakteristischer Größen der Sensorblende, durch eine einfache Rechnung der gesuchte Sonnenvektor ermittelt werden. Im Schlusswort wird ein direkter Vergleich mit anderen Sonnensensoren und eine Kostenschätzung vorgenommen. An dieser Stelle wird auch ein Ausblick mit Empfehlungen zum weiteren Vorgehen gegeben.