Contributions To The Advance Of The Integration Density Of Cubesats
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Contributions to the advance of the integration density of CubeSats
Author: Grau, Sebastian
language: en
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
Release Date: 2019-09-17
This thesis investigates potential technologies to increase the integration density of CubeSats. Observations of the CubeSat market and missions are recorded in order to derive design criteria for high performance single unit CubeSats. A promising approach to increased integration density is relocation of the components of multiple satellite subsystems to form a highly integrated, multi-functional solar panel. Eligible components are usually allocated to the communication system, the electric power system, or the attitude determination and control system. In a joint research project, development, optimization, and miniaturization of those components in order to form a highly integrated, multi-functional solar panel is investigated. The author first summarizes the development work of the project partners for a picosatellite solar antenna and puts it into relation to the overall solar panel design. Advantage of using solar antennas over simple patch antennas is the reduced loss of solar cell area, and hence available electric power, that is usually accompanied by the usage of higher frequency bands for broadband payload data transmission. Magnetic attitude actuators are the backbone of CubeSat attitude control. In order to increase their performance and lower their resource consumption, numerical optimization of the commonly used three coil types is investigated by the author. This leads to the formulation of a novel optimization approach, which is better suited to real-world considerations for magnetic actuator design. Results from the application of the optimization procedure show potential for every coil type. The state of the art of a novel type of attitude control actuators, so-called fluid-dynamic actuators which are based on angular momentum exchange, is advanced by the author by introducing miniaturized 3D-printed conduits for single unit CubeSat applications. Following development and functional verification, actuators are compared to existing reaction wheel systems, which shows their superiority for agile attitude maneuvers and integration with the satellite bus. Further investigation exploits additive manufacturing technologies to create redundancy concepts using four actuators with three-dimensional conduits.Finally, development, optimization, and miniaturization of subsystem components is brought together in the design, assembly, and test of a highly integrated, multi-functional solar panel. Analysis of a single unit CubeSat design that applies different configurations of the multi-functional solar panel shows the potential for more than 50% payload mass and payload volume. This brings integration density of single unit CubeSats to a level similar to that of the larger triple unit form factors currently employed for the New Space mega-constellations. Diese Dissertation untersucht mögliche Technologien zur Erhöhung der Integrationsdichte von CubeSats. Beobachtungen des CubeSat-Marktes und ausgewählter Missionen werden zusammengetragen um Entwurfskriterien für hochperformante 1U CubeSats abzuleiten. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Integrationsdichte ist der Umzug von Komponenten verschiedener Satellitensubsysteme auf ein zu entwickelndes hochintegriertes, multifunktionales Solarpaneel. Infrage kommende Komponenten sind für gewöhnlich dem Kommunikationssystem, dem Energieversorgungssystem, oder dem Lageregelungssystem zugeordnet. In Rahmen eines gemeinschaftlichen Forschungsvorhabens wurden Entwicklung, Optimierung, und Miniaturisierung ausgewählter Komponenten eines solchen hochintegrierten, multifunktionalen Paneels untersucht. Durch den Autor wird zunächst die Entwicklung einer Solarantenne für Pikosatelliten durch den Projektpartner zusammengefasst und in Zusammenhang um Entwurf des Solarpaneels gebracht. Der Vorteil einer Solarantenne gegenüber einer einfachen Patch-Antenne ist der geringere Verlust an Solarzellenfläche, und damit zur Verfügung stehender elektrischer Leistung, der üblicherweise mit der Verwendung höherer Frequenzbänder zur breitbandigen Nutzlastdatenübertragung einhergeht. Magnetische Lageregelungsaktuatoren bilden das Rückgrat der CubeSat-Lageregelung. Um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen und den Ressourcenverbrauch zu verringern, wird durch den Autor die numerische Optimierung der drei gebräuchlichen Spulentypen untersucht. Dies führt zur Formulierung eines neuartigen Optimierungsansatzes welcher besser für die Anwendung realer Entwurfsprobleme geeignet ist. Die Optimierungsergebnisse zeigen ein großes Potential für die Optimierung aller betrachteter Spulentypen auf. Der Stand der Technik im Bereich neuartiger Lageregelungsaktuatoren, den sogenannten fluiddynamischen Aktuatoren die auf Drehimpulsaustausch basieren, wird durch den Autor durch die Einführung miniaturisierter 3D-gedruckter Kanäle für die Verwendung auf 1U CubeSats vorangebracht. Im Anschluss an die Entwicklung und funktionale Verifikation werden diese Aktuatoren mit existierenden Reaktionsradsystemen verglichen, was deren Überlegenheit bei agilen Lageregelungsmanövern und der Integration in den Satellitenbus aufzeigt. Weitere Untersuchungen nutzen die additiven Herstellungsverfahren zur Darstellung von redundanten Konzepten bestehend aus vier Aktuatoren mit dreidimensionalen Kanalgeometrien. Abschließend werden Entwicklung, Optimierung und Miniaturisierung der Subsystemkomponenten im Entwurf, Aufbau und Test eines hochintegrierten, multifunktionalen Seitenwandpaneels zusammengeführt. Die Analyse eines 1U CubeSat-Entwurfs unter Verwendung verschiedener Konfigurationen des multifunktionalen Solarpaneels zeigt ein Potential für jeweils mehr als 50% verfügbarer Nutzlastmasse und Nutzlastvolumen vom gesamten Satelliten. Dies hebt die Integrationsdichte von 1U CubeSats auf ein ähnliches Niveau der 3U Formfaktoren, welche gegenwärtig bei den New Space Megakonstellationen zur Anwendung kommen.
Contributions to on-board navigation on 1U CubeSats
Author: Weiß, Sascha
language: en
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
Release Date: 2022-04-07
This thesis investigates the use of GNSS receivers on 1U CubeSats, using the example of BEESAT-4 and BEESAT-9. The integration of such a device on satellites enables highly precise time synchronization, position acquisition and orbit determination and prediction The application fields that depend on an accurate attitude control and orbit determination system and can also be processed by CubeSats are highlighted. Therefore the state of the art of GNSS receivers is described, which are suitable for the use on satellites and could be integrated into 1U CubeSats. Further on it is investigated which subsystems of a small satellite are particularly affected and what the special challenges are to realize a precise positioning with a GNSS receiver. In addition, some developments are presented that have significantly increased the performance of 1U CubeSats in recent years. The system concept of BEESAT satellites is introduced and the evolution of the payload board including the use of the latest sensor technologies for attitude control is described. It is shown how the verification of the satellite's subsystems was performed on the ground, with the focus on testing and simulating the attitude control and the GNSS receiver. The necessary integration steps, the calibration and environmental test campaign are discussed. Both satellites were successfully operated and the results of the on-orbit experiments are presented. It is shown how a three-axis stabilized attitude control was first verified on BEESAT-4 and then a GNSS receiver was successfully operated on BEESAT-9 for more than one year. In addition, the inter-satellite link between BEESAT-4 and BIROS will be analyzed, since it is essential for the relative navigation of satellites. The acquired navigation data was sent to the ground and the identification of BEESAT-9 was carried out using this data. A qualitative analysis of the orbital elements (TLE) of BEESAT-9 was performed systematically due to a daily operation of the GNSS receiver. Furthermore, it was investigated how a small GNSS antenna affects the received signal strength from GNSS satellites and whether this antenna or its amplifier degrades over time. Additionally, an orbit determination and propagation based on the navigation data could be performed and the results are evaluated. The analyzed questions allow a statement about the continuous use of GNSS receivers on 1U CubeSats and if it is necessary to achieve the mission objectives. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats am Beispiel von BEESAT-4 und BEESAT-9. Das Integrieren einer solchen Komponente auf Satelliten ermöglicht eine hochgenaue Zeitsynchronisation, Positions- und Orbitbestimmung sowie deren Vorhersage Es werden die Anwendungsfelder beleuchtet, die auf ein akkurates Lageregelungs- und Orbitbestimmungssystem angewiesen sind und außerdem auch von CubeSats bearbeitet werden können. Dazu wird der Stand der Technik von GNSS-Empfängern beschrieben, die für den Einsatz auf Satelliten geeignet sind und von ihren Eigenschaften auch auf 1U CubeSats integriert werden könnten. Weitergehend wird untersucht, welche Subsysteme eines Kleinstsatelliten besonders betroffen sind und was die speziellen Herausforderungen sind, um eine präzise Positionsbestimmung mithilfe eines GNSS-Empfängers zu realisieren. Dazu werden auch einige Entwicklungen vorgestellt, die in den letzten Jahren die Leistungsfähigkeit von 1U CubeSats signifikant erhöht haben. Das Systemkonzept der BEESAT Satelliten wird eingeführt und die Evolution der Nutzlastplatine inklusive der Verwendung der jeweils neuesten Sensortechnologien für die Lageregelung beschrieben. Es wird gezeigt wie die Verifikation der Subsysteme des Satelliten am Boden erfolgte, wobei der Fokus auf dem Testen und Simulieren der Lageregelung und dem GNSS-Empfänger liegt. Dazu werden die notwendigen Integrationsschritte, die Kalibrations- und die Umwelttestkampagne diskutiert. Beide Satelliten wurden erfolgreich betrieben und die Ergebnisse der on-orbit Experimente werden vorgestellt. Es wird gezeigt wie zunächst eine dreiachsenstabilisierte Lageregelung auf BEESAT-4 verifiziert und anschließend auf BEESAT-9 über mehr als ein Jahr ein GNSS-Empfänger erfolgreich betrieben wurde. Zusätzlich wird der Intersatelliten Link zwischen BEESAT-4 und BIROS analysiert, da dieser für die Relativnavigation von Satelliten essentiell ist. Die akquirierten Navigationsdaten wurden zum Boden gesendet und die Identifizierung von BEESAT-9 erfolgte mithilfe dieser Daten. Eine qualitative Analyse der Orbitelemente (TLE) von BEESAT-9 konnte systematisch durchgeführt werden durch einen täglichen Einsatz des GNSS-Empfängers. Weiterhin wurde erforscht wie sich eine kleine GNSS-Antenne auf die empfangenen Signalstärken der GNSS Satelliten auswirkt und ob diese Antenne oder ihr Verstärker mit der Zeit degradieren. Zusätzlich konnte eine Orbitbestimmung und -propagation auf Basis der Navigationsdaten durchgeführt und die Ergebnisse ausgewertet werden. Die analysierten Fragestellungen erlauben eine Aussage über den durchgängigen Einsatz von GNSS-Empfängern auf 1U CubeSats und ob dieser notwendig ist um die Missionsziele zu erreichen.
Investigations on the current and future use of radio frequency allocations for small satellite operations
Author: Buscher, Martin
language: en
Publisher: Universitätsverlag der TU Berlin
Release Date: 2019-09-16
Global radio frequency spectrum use for satellite communication is a present-day challenge that has been aggravated by the increased launch of small satellites during the past 15 years. This thesis aims to examine both regulatory and technical aspects of spectrum use. The focus of this examination is on frequency bands that are commonly used by small satellites and on those bands that might be applicable for future use. The thesis content is subdivided into three parts. The first part presents the needed background on small satellites as well as the regulatory environment for small satellites. The second part gives insight into the results of a theoretical assessment of current and future small satellite allocations. The third part depicts two concepts for on-orbit spectrum analysis applications which allow the analysis of the problem from the technical side, including first flight results. After studying this work, the reader shall be able to understand regulatory procedures for frequency coordination and to acknowledge challenges for both satellite developers and responsible administrations. The presented hardware implementations for spectrum analysis shall serve as a tool for improved frequency coordination in the near future. Durch die steigende Anzahl von Kleinstsatellitenstarts in den letzten 15 Jahren ist auch die Auslastung von Funkspektrum für die Satellitenkommunikation signifikant gestiegen. Während die ersten Kleinstsatelliten (CubeSats) aufgrund ihrer Neuheit und ihrer kurzen Lebenszeit von regulatorischer Seite unbeachtet blieben, stiegen in den letzten Jahren Interferenzfälle sowie die Frage, wie Kleinstsatelliten regulatorisch behandelt werden sollen. Diese Arbeit betrachtet die aktuelle und zukünftige Nutzung von Funkspektrum für Kleinsatelliten aus regulatorischer und technischer Sicht. Der erste Teil der Arbeit behandelt die regulatorischen Rahmenbedingungen von Kleinstsatelliten und bietet einen Einblick in das Themengebiet Frequenzkoordinierung. Der zweite Teil untersucht Möglichkeiten zur verbesserten Frequenzkoordinierung im Rahmen von ITU-Studien. Im dritten Teil der Arbeit wird die technische Implementierung von Weltraumanwendungen zur Spektrumanalyse präsentiert. Flugergebnisse eines Spektrumanalysator sowie eine Satellitennutzlast zur Spektrumanalyse werden vorgestellt. Durch die Lektüre dieser Arbeit soll eine Einführung in die Frequenzkoordinierung von Kleinstsatelliten gegeben werden. Aktuelle Entwicklungen auf regulatorischer Seite sowie aktuelle und zukünftige Ergebnisse der Spektrumanalyse aus dem Orbit werden als Hilfsmittel für Koordinierungsvorgänge vorgestellt.