STARS-Labor
Motivation
In der Raumfahrt, Luftfahrt, Seefahrt, in der autonomen Mobilität und in den Navigationsgeräten von Smartphones und Autos ist die Navigation ein wichtiger Bestandteil. Das STARS Labor (engl. Laboratory for Sensor Testing and Assessment on a Rotation Simulator) unterstützt die Entwicklung hochpräziser Navigationssysteme.
Während der Entwicklung eines Navigationssystems wird in den ersten Phasen mit Software-in-the-Loop-Tests (SiL-Tests) gearbeitet. Bei diesen Tests werden die Messwerte der Sensorik anhand von mathematischen Modellen simuliert und in den entsprechenden Navigationsalgorithmen verarbeitet. Dieser Test dient dazu, den Navigationsfilter zu optimieren und die Präzision der Navigationslösung zu bestimmen. Eine detaillierte Charakterisierung der Sensorik bildet den Grundstein für ein möglichst genaues mathematisches Sensormodell, das dann in den Simulationen verwendet wird.
Im weiteren Verlauf der Entwicklung werden die simulierten Sensormesswerte durch echte Sensormesswerte ersetzt, was als Hardware-in-the-Loop-Test (HiL-Test) bezeichnet wird. Um sowohl die SiL- als auch die HiL-Tests zu unterstützen, wurde das STARS Labor eingerichtet, welches auch externen Kunden zur Verfügung gestellt wird.
Das Labor
Ein Aufgabenbereich der Abteilung Navigations- und Regelungssysteme (engl. Guidance, Navigation and Control Systems, GNC Systeme) am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme ist die Entwicklung von Navigationssystemen für Raumfahrzeuge. Diese Systeme bestehen häufig aus mehreren Beschleunigungs- und Drehratensensoren, die zu einer Inertialen Messeinheit (IMU engl. Inertial Measurement Unit) zusammengefasst werden, sowie weiteren Sensoren wie z.B. GPS-Sensoren, Sternenkameras und Sonnensensoren. Die Charakterisierung der Sensorik und das zur Verfügung stellen der mathematischen Modelle ist eine wichtige Aufgabe des STARS Labors. Diese Modelle werden in den SiL-Tests verwendet. Aus den Ergebnissen kann der HiL-Test realitätsnah simuliert werden. In den HiL-Tests werden anschließend die echten Sensoren verwendet, um die SiL-Testergebnisse zu verifizieren. Dazu bietet das Labor die Möglichkeit, die Sensoren mittels der unten aufgeführten Komponenten zu stimulieren.
Rotationstisch ACUTRONIC AC3347
Der Rotationstisch und das Echtzeitsystem der Firma dSPACE bilden das „Herzstück“ des Labors und dienen bei fast allen Tests als Stimulatorsystem für die Sensorik. Durch diese Kombination ist es möglich in Echtzeit verschiedene Lagen, Drehraten oder Trajektorien abzufahren und die gemessenen Sensordaten synchron zu den vorgegebenen Daten des Rotationstisches aufzunehmen und zu verarbeiten. Dies ermöglicht die Charakterisierung von Neigungs-, Drehraten-, Beschleunigungssensoren und IMUs sowie die Erzeugung von Messwerten für die Hardware-in-the-Loop-Tests. Durch die groß zu öffnende Fensterfront besteht die Möglichkeit der Verifikation von Sternenkameras bei Nacht.
Die Spezifikationen des Rotationstisches:
- Kontinuierliche Rotationen um drei Achsen mit maximal 1000 °/s
- Maximale Drehbeschleunigungen zwischen 400 und 30000 °/s²
- Orthogonalitätsfehler der Achsen < 3 Bogensekunden
- Lagegenauigkeit < 3 Bogensekunden
- Lageauflösung 0.00001 °
- Drehratenauflösung 0.00001 °/s
- Temperaturstabilisierung durch Klimakammer mit CO2 Kühlung zwischen -50 °C und +80 °C
- Anbindung über SCRAMNet+ an die dSPACE Echtzeit-Simulationsplattform
- 450 mm Durchmesser des inneren Drehtellers
- 15 kg spezifiziertes Prüflingsgewicht (andere Gewichte möglich)
- GPS-Antennenleitung und andere elektrische Verbindungen auf den Drehteller
GPS-Simulator Spirent GSS 7700
Mit dem GPS-Simulator können GPS-Empfänger getestet werden. Durch die Kopplung des Rotationstisches und des Echtzeitsystems mit dem GPS-Simulator ist es möglich, komplexere Systeme zu verifizieren.
Die Spezifikationen des GPS-Simulators:
- 4-32 Kanäle
- GPS L1 unterstützt C/A + P Code + M-Noise
- GPS L2 unterstützt C/A or P Code + L2C + M-Noise
- GPS L5 unterstützt L5 I und L5 Q
- Komplette Flexibilität durch die Software SimGEN
- Echtzeit-Fernsteuerung und simulierte Flugbahn für Hardware-In-The-Loop-Tests
- Ausgabe verschiedener RF Signale L1/L2/L5
- Interferenz von bis zu 16 Kanälen auf L1 Band
Sonnensimulator neonsee
Die Kopplung von Rotationstisch, Echtzeitsystem und Sonnensimulator ermöglicht es, Sonnensensoren zu testen und charakterisieren.
Die Spezifikationen des Sonnensimulators:
- Maximale beleuchtete Fläche: 200×200 mm
- Einstellbare Kollimationswinkel von 0.368° (Venus) bis 0.051° (Jupiter)
- Einstellbare Beleuchtungsstärke von 1780 W/m² bis 162 W/m² mit spezifiziertem Spektrum oder bis 2.5 W/m² ohne spezifiziertem Spektrum
Angebotene Dienstleistungen:
- Charakterisierung von Drehratensensoren innerhalb einer Thermalkammer, Bestimmung der Sensorcharakteristika nach dem IEEE Standard
- Charakterisierung von Beschleunigungssensoren innerhalb einer Thermalkammer, Bestimmung der Sensorcharakteristika nach dem IEEE Standard
- Charakterisierung von inertialen Messeinheiten (IMUs) innerhalb einer Thermalkammer, Bestimmung der Sensorcharakteristika
- Charakterisierung von Sonnensensoren unter AM0 Spektrum mit unterschiedlichen Kollimationswinkeln und Lichtstärken
- Test und Kalibrierung von GPS-Empfängern
- Flugpfadsimulation für Drehratensensoren und GPS-Empfänger anhand vorgegebener Trajektorien
- Hardware-in-the-Loop-Tests über ein echtzeitfähiges dSPACE System
- Thermaltests zwischen -50 °C und +80 °C
- Charakterisierung von Winkel- und Neigungsmesssystemen