Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
ATHENA Space Telescope: Line of Sight Control with a Hexapod in the Loop
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mathematics (Dept.), Optimization and Systems Theory.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Rymdteleskopet ATHENA: Siktlinjestyrning med en hexapod i styrkretsen (Swedish)
Abstract [en]

The Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, Athena, is an x-ray telescope with a 2000 kg mirror module mounted on a six degree of freedom hexapod mechanism. It is currently assessed in a phase A feasibility study as L-class mission in the European Space Agency’s Cosmic Vision 2015-2025 plan with a launch foreseen in 2028. The total mass of the spacecraft is approximately 8000 kg, which is mainly distributed to the mirror module on the one side and to the focal plane module on the other side of the telescope tube. Such a design is without precedent in any European mission and imposes several challenges on analysis and design of the complex line of sight pointing control system with the moving mirror module in the loop. Not only does the moving mirror mass lead to time-variant parameter uncertainties of the system (inertia), but also does the hexapod motion complicate the guidance algorithms and induce complex disturbances onto the SC attitude dynamics.

These challenges have been approached in this thesis in three steps. First, a Matlab®/Simulink® library has been built up, including all components required to model a hexapod in pointing control simulations. This Hexapod Simulation Library includes a complete hexapod kinematic model, a simplified hexapod actuator model, a spacecraft attitude dynamic model with the hexapod in the loop, state determination algorithms with the hexapod in the loop as well as online guidance algorithms for combined spacecraft and hexapod maneuvers. Second, different operational scenarios have been designed and analyzed for comparison. Third, closed-loop pointing control simulations for a representative reference case study similar to the Athena spacecraft have been performed for first feasibility analysis and performance comparison of the different operational scenarios.

With these simulations, first, the time-variant parameter uncertainties and complex disturbance torques caused by the moving mirror mass have been characterized. Thereby, the disturbance noise induced by hexapod actuator step quantization has been identified as a potential design driver that needs to be analyzed further in early phases of the project. Second, feasibility of a baseline pointing control concept has been shown, i.e. performing hexapod and spacecraft maneuvers sequentially in time. And third, possible improvements to the baseline concept have been analyzed providing up to 27% faster transition time between two observations for the simulated scenario by performing hexapod and spacecraft maneuvers simultaneously and applying a path optimized spacecraft trajectory.

Abstract [sv]

Teleskopet Athena, The Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, är ett röntgenteleskop med en spegelmodul som väger 2000 kg monterat på en struktur med sex frihetsgrader. I dagsläget pågår en förstudie av teleskopet som en L-klass mission inom European Space Agencys Cosmic Vision 2015-2025 med planerad uppskjutning år 2028. Satelliten väger totalt 8000 kg vilket huvudsakligen fördelas mellan spegelmodulen på ena sidan och fokalplansmodulen på andra sidan av teleskopet. Tidigare har inga europeiska projekt använt sig av en liknande design och det medför utmaningar i analys och design av styrsystemet med den rörliga spegeln medräknad. Dels leder spegelns massa till tidsvarianta osäkerheter i systemets parametrar men även den hexapoda monteringsanordningen komplicerar styralgoritmerna och medför komplexa störningar i satellitens attityd.

Dessa problem behandlas i denna rapport i tre steg. Först har ett Matlab®/Simulink® bibliotek byggts upp där alla delar som krävs för att skapa en modell av en hexapod i simuleringen av styrsystemet ingår. Detta bibliotek innefattar en komplett kinematik-modell för en hexapod, en förenklad ställdonsmodell, en dynamisk modell av satellitens attityd, tillståndsbestämning samt styralgoritmer för kombinerade rörelser av satelliten och hexapoden. Därefter designas, analyseras och jämförs olika operativa scenarier. Slutligen simulerades det återkopplade styrsystemet för en representativ fallstudie som liknar Athena för en första genomförbarhetsanalys samt jämförelse av prestanda mellan olika scenarier.

Med dessa simuleringar har först de tidsvarianta osäkerheter i systemets parametrar och störningsmoment orsakade av spegelns rörelser karakteriserats. Därigenom har störningsbruset från stegkvantiseringen till hexapodens ställdon identifierats som något som potentiellt kan driva designen och därför bör undersökas närmare i projektets tidiga skeden. Därefter har genomförbarheten av ett grundläggande koncept för styrsystemet påvisats, det vill säga manövrera heaxpoden och satelliten sekventiellt i tiden. Möjliga förbättringar till detta koncept har analyserats och gett en 27% snabbare förflyttningstid mellan två observationer i det simulerade scenariot genom att hexapoden och satelliten manövreras samtidigt längst en optimerad bana för satelliten.

Place, publisher, year, edition, pages
2017.
Series
TRITA-MAT-E ; 2017:71
National Category
Computational Mathematics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-215922OAI: oai:DiVA.org:kth-215922DiVA, id: diva2:1149609
External cooperation
Airbus
Subject / course
Systems Engineering
Educational program
Master of Science - Aerospace Engineering
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-10-16 Created: 2017-10-16 Last updated: 2017-10-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3528 kB)56 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3528 kBChecksum SHA-512
a523a60dd40cd0d6608e76da972b33b470d346359518aa341f4c1b85154a6d441b1458bdd918a8d1247eb83115a3ce663c880851de31bf5a079f64aa1a6a9517
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Optimization and Systems Theory
Computational Mathematics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 56 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 78 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf