Lagebestimmmung von Satelliten in hochexzentrischen Orbits, basierend auf GPS Messungen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das Einsatzspektrum von solchen Lagesensoren auf Satelliten in hochexzentrischen Bahnen analysiert, welche auf Messungen des Global Navigation System (GPS) basieren. Anhand zweier repräsentativer Missionen in hochexzentrische Orbits, nämlich GTO (Geo Transfer Orbit) und Molniya-Orbit, wurde untersucht, in welchem Rahmen und mit welchen missionsspezifischen Anforderungen an die Lagegenauigkeit ein GPS-Lagesensor zur 3-Achsen-Lagebestimmung eines Nutzer-Satelliten eingesetzt werden könnte. Die Arbeit enthält zwei essentielle Bestandteile, wobei der erste Bestandteil die Analyse der zu erwartenden Genauigkeit bei der Lagebestimmung. Im ersten Teil werden, ausgehend von adäquaten Simulationen der Dynamik eines Nutzer-Satelliten für die jeweilige hochexzentrische Bahn sowie der GPS-Satellitenkonstellation, Analysen hinsichtlich geometrischer und signaltechnischer Sichtbarkeit von GPS-Satelliten für einen Nutzer-Satelliten durchgeführt. Die dabei entwickelte Software HEOVIS wurde auch operationell zur Sichtbarkeitsvorhersage und Analyse im Rahmen des GPS-Experiments auf dem Kleinsatelliten EQUATOR-S erfolgreich eingesetzt. Der zweite Teil der Arbeit enthält die Herleitung von verschiedenen Algorithmen zur Lagebestimmung aus den grundlegenden eobachtungsgleichungen von GPS sowie deren Anwendungen im Kontext der Missionssimulationen für GTO und Molniya-Orbit. Außerdem werden in diesem Zusammenhang die die Genauigkeit einer Lagebestimmung beeinflussenden Parameter erläutert und diskutiert. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysen zeigen deutlich, in welchem Umfang Lagesensoren, basierend auf GPS-Messungen, in repräsentativen hochexzentrischen Missionen unter Verwendung gegenwärtiger Technik und Verfahren eingesetzt werden könnten und welche Genauigkeit bei einer 3-Achsen-Lagebestimmung zu erwarten sind.