Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Erstellen eines Moduls zur Berechnung von Planetenpositionen für einen software-basierten (Matlab/Simulink) Satelliten-Simulator.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Aufgabenstellung
3. Grundlagen des KSS
3.1 Grundlagen MATLAB
3.2 Grundlagen SIMULINK
3.3 Zielsetzung des KSS
3.4 Funktionsweise des KSS
4. Grundlagen der Berechnung
4.1 Koordinatensysteme
4.1.1 Allgemeines
4.1.2 Astronomische Koordinatensysteme
4.2 Der Julianische Tag
4.2.1 Allgemeines
4.2.2 Berechnen des Julianischen Tages
4.2.3 Das modifizierte Julianische Datum
4.3 Die VSOP87
4.3.1 Begriffsdefinitionen
4.3.2 Allgemeines
4.3.3 Berechnungen mit der VSOP87
4.3.4 Genauigkeit der VSOP87
4.4 Berechnen des Geschwindigkeitsvektors eines Planeten
4.4.1 Die Gibbs’sche Methode
5. Dokumentation der MATLAB-Programme
5.1 Allgemeines
5.2 Das SIMULINK – Modell
5.3 Erstellen der Datenfiles
5.4 Das Hauptprogramm ephem_f.m
5.5 Das Programm berechnungv_f.m
6. Vergleichsrechnung zur Bestimmung der Genauigkeit
6.1 Allgemeines
6.2 Genauigkeit der Position
6.2.1 Genauigkeitsberechnung Merkur
6.2.2 Genauigkeitsberechnung Venus
6.2.3 Genauigkeitsberechnung Erde
6.2.4 Genauigkeitsberechnung Mars
6.2.5 Genauigkeitsberechnung Jupiter
6.3 Genauigkeit der Geschwindigkeit
6.3.1 Genauigkeitsberechnung Merkur
6.3.2 Genauigkeitsberechnung Venus
6.3.3 Genauigkeitsberechnung Erde
6.3.4 Genauigkeitsberechnung Mars
6.3.5 Genauigkeitsberechnung Jupiter
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literaturangaben
9. Anhang
9.1 Erweiterung des Moduls um den Kometen Wirtanen
9.1.1 Der SIMULINK-Block
9.1.2 Das Programm Auswahl_f.m
9.2 Programm ephem_f.m
9.3 Programm berechnungv_f.m
9.4 Programm Auswahl_f.m
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ephemeridenmoduls innerhalb der Programmierumgebung MATLAB/SIMULINK ab, um die Fähigkeiten des Kleinsatelliten-Simulators (KSS) zur Planung von Radio-Sondierungs-Missionen zu erweitern. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie Positions- und Geschwindigkeitsdaten für verschiedene Planeten präzise und recheneffizient simuliert werden können, um eine nahtlose Integration als Block in die KSS-Bibliothek zu ermöglichen.
- Entwicklung eines modularen Ephemeridenmoduls mittels VSOP87-Planetentheorie.
- Berechnung von Positionen und Geschwindigkeiten für Merkur, Venus, Erde, Mars und Jupiter.
- Integration der Simulationslogik in ein SIMULINK-Blockdiagramm.
- Validierung der Genauigkeit durch Vergleich mit Daten aus dem Astronomischen Almanach.
- Erweiterung des Simulators um die Berücksichtigung von Kometenbahnen (Komet Wirtanen).
Auszug aus dem Buch
4.4.1 Die Gibbs’sche Methode
Zur Berechnung des Geschwindigkeitsvektors aus den Bahnelementen eines Planeten gibt es mehrere Möglichkeiten. Da das im Rahmen der Studienarbeit erstellte Ephemeridenmodul einen Positionsvektor ausgibt, bietet sich zur Berechnung der Geschwindigkeit an einem bestimmten Punkt die Gibbs’sche Methode an (entwickelt von J.W. Gibbs). Diese basiert auf reiner Vektoralgebra und benutzt drei Vektoren zur Berechnung, wie in folgender Skizze ersichtlich :
Hierbei sind die verschiedenen Vektoren :
r1: Radiusvektor zu einem Bahnpunkt, der zeitlich gesehen vor dem Punkt liegt, an dem die Geschwindigkeit berechnet wird.
r2: Radiusvektor zu dem Bahnpunkt, an dem die Geschwindigkeit berechnet werden soll.
r3: Radiusvektor zu einem Bahnpunkt, der zeitlich gesehen nach dem Punkt liegt, an dem die Geschwindigkeit berechnet wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Erweiterung des KSS im Hinblick auf Radio-Sondierungs-Missionen und die Relevanz der Simulation für zukünftige Planetenmissionen.
2. Aufgabenstellung: Definiert das Ziel, ein Ephemeridenmodul in MATLAB/SIMULINK zu erstellen, das Planetenpositionen und -geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit berechnet.
3. Grundlagen des KSS: Erläutert die Funktionalitäten von MATLAB und SIMULINK sowie die Architektur und Zielsetzungen des vorhandenen Kleinsatelliten-Simulators.
4. Grundlagen der Berechnung: Beschreibt die theoretischen Aspekte, einschließlich verschiedener Koordinatensysteme, der Zeitrechnung und der Anwendung der VSOP87-Theorie sowie der Gibbs’schen Methode.
5. Dokumentation der MATLAB-Programme: Detailliert die Umsetzung der Berechnungsalgorithmen in MATLAB-Funktionen und deren Einbettung in das SIMULINK-Modell.
6. Vergleichsrechnung zur Bestimmung der Genauigkeit: Präsentiert die Validierung der Simulationsergebnisse durch einen Vergleich mit Referenzdaten aus dem Astronomischen Almanach.
7. Zusammenfassung und Ausblick: Bewertet das erreichte Modul und schlägt zukünftige Erweiterungen wie die Implementierung weiterer Himmelskörper vor.
8. Literaturangaben: Listet die verwendeten Quellen und wissenschaftlichen Referenzen auf.
9. Anhang: Enthält ergänzende Informationen zur Erweiterung um den Kometen Wirtanen sowie den vollständigen Programmcode der implementierten Funktionen.
Schlüsselwörter
Kleinsatelliten-Simulator, KSS, MATLAB, SIMULINK, Ephemeridenmodul, VSOP87, Planetenposition, Geschwindigkeitsvektor, Gibbs’sche Methode, Radio-Sondierung, Bahnberechnung, Himmelsmechanik, Astronomische Koordinatensysteme, Julianisches Datum.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Es geht um die Erweiterung des bestehenden Kleinsatelliten-Simulators (KSS) zu einem Radio-Sondierungs-Simulator, speziell durch die Entwicklung eines Ephemeridenmoduls für die Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars und Jupiter.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen die Himmelsmechanik, die mathematische Modellierung von Planetenbahnen mittels VSOP87, die Vektoralgebra zur Geschwindigkeitsbestimmung sowie die technische Implementierung in MATLAB und SIMULINK.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Erstellung eines recheneffizienten und präzisen Moduls, das als integrierbarer Block in der Bibliothek des KSS zur Verfügung steht, um Planetenmissionen kostengünstig und zeitsparend simulieren zu können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zur Positionsberechnung wird die VSOP87-Theorie (Planetentheorie) genutzt, während die Geschwindigkeitsvektoren auf Basis von drei aufeinanderfolgenden Radiusvektoren mittels der Gibbs’schen Methode berechnet werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der detaillierten Beschreibung der mathematischen Grundlagen der Berechnung, der technischen Dokumentation der MATLAB-Programme und einer umfangreichen Genauigkeitsanalyse der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: Kleinsatelliten-Simulator, VSOP87, Gibbs’sche Methode, Bahnberechnung und MATLAB/SIMULINK.
Wie wurde die Genauigkeit der Berechnungen sichergestellt?
Die Genauigkeit wurde durch eine Vergleichsrechnung zwischen den Simulationsergebnissen und den Daten des Astronomischen Almanachs für definierte Zeitpunkte validiert.
Was wurde im Anhang bezüglich der Erweiterung dokumentiert?
Im Anhang wird die Integration des Kometen Wirtanen beschrieben, inklusive der logischen Steuerung der aktivierbaren Berechnungsblöcke mittels einer Auswahlfunktion.
- Citation du texte
- Dipl-Ing LRT Alexander Höhn (Auteur), 2002, Erweiterung des Klein-Satelliten-Simulator (KSS) zur Planung von Radio Science Missionen - Erstellen eines Ephemeriden-Moduls für den Kleinsatelliten-Simulator (KSS), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/66380
