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. / 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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-215922 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Görries, Simon |
| Publisher | KTH, Optimeringslära och systemteori |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-MAT-E ; 2017:71 |
Page generated in 0.0026 seconds