Target acquisition for space applications

Philipp Löschl

doi:10.25365/thesis.52312

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1344160

Title (eng)

Target acquisition for space applications

Author

Philipp Löschl

Advisor

Franz Kerschbaum

Co-Advisor

Roland Ottensamer

Assessor

Franz Kerschbaum

Abstract (deu)

Genaue Information über die aktuelle Ausrichtung eines Teleskops ist seit jeher die Vor- aussetzung für hochpräzise astronomische Beobachtungen. Während dies schon für erd- gebundene Teleskope schwierig sein kann, ist es bei weltraumbasierten Teleskopen, auf- grund ihrer ständigen Orbitalbewegung, eine besondere Herausforderung. Die Anforde- rungen an die Genauigkeit sind dabei von Mission zu Mission unterschiedlich und werden in der Regel mit spezieller Hardware für die Lagebestimmung erfüllt. Dabei können dedi- zierte Instrumente wie Stern- oder Sonnensensoren, oder aber auch die wissenschaftliche Instrumentierung direkt zum Einsatz kommen. Im letzteren Fall wird nach der anfängli- chen Ausrichtung die erzielte Lage mit dem Teleskop erneut vermessen und bestätigt bzw. gegebenenfalls korrigiert. Der Characterising ExOPlanet Satellite, oder auch CHEOPS ge- nannt, ist ein Fall, wo diese Technik zum Einsatz kommt. CHEOPS ist für ultrahochprä- zise Photometrie von Sternen mit bekannten Exoplaneten konzipiert und wird die Erde in einem 3-Achsen stabilisierten sonnensynchronen Orbit umkreisen. Dieser Orbit wur- de zwar für ungestörte Beobachtungen bei minimalem Streulicht optimiert, ist bei Pe- rigäumsdurchgängen allerdings thermischen Schwankungen ausgesetzt. Daraus entsteht eine periodische thermoelastische Deformation zwischen der Teleskopstruktur und dem Service-Modul, welche die präzise Ausrichtung zwischen den Sternsensoren und dem Te- leskop beeinflusst und in weiterer Folge eine genaue Platzierung des beobachteten Sterns am CCD verhindert. Da der beobachtete Stern damit nicht auf der geplanten CCD Position abgebildet wird, ist es für die wissenschaftlichen Beobachtungen notwendig diesen über ein dediziertes Sternerkennungssystem zu finden und die Ausrichtung dementsprechend zu korrigieren. Dieses System wurde softwareseitig implementiert und besteht aus Soft- warekomponenten zur Sterndetektierung und zwei unterschiedlichen Algorithmen, um die Sterne am Nachthimmel mittels geometrischen und photometrischen Eigenschaften eindeutig zu identifizieren. Der vermutlich hauptsächlich benutzte geometrische Identi- fikationsalgorithmus wurde ursprünglich für den Einsatz ohne jegliche Information zur momentanen Ausrichtung in Sternsensoren konzipiert. Da diese für CHEOPS bis auf einen bekannten maximalen Ausrichtungsfehler vorhanden ist, wurde er entsprechend adaptiert und optimiert. In dieser Masterarbeit wird das Design, die Implementierung und Konfigu- ration dieses maßgeschneiderten Sternerkennungssystems präsentiert. Zusätzlich wurden Leistungstests unter verschiedensten Beobachtungsbedingungen durchgeführt, um den reibungsfreien Einsatz zu garantieren.

Abstract (eng)

The prerequisite for any astronomical high precision observation is accurate knowledge of the telescope pointing. While this can be a difficult task to achieve for ground based observatories, it is especially challenging for the case of space telescopes due to their non stationary nature. The requirements for pointing accuracy are mission and observation de- pendent and are usually achieved with specialised attitude determination hardware such as star trackers or sun sensors. In some cases, it can also be necessary to further improve the pointing by the utilisation of the science instrument. Thus, observations with the final pointing are used to verify or improve the achieved accuracy. The CHaracterising ExO- Planet Satellite (CHEOPS) is such a case. It will perform ultra high precision photometry of stars that are confirmed hosts of exoplanets on a 3-axis stabilised sun-synchronous or- bit. While this orbit is optimised for uninterrupted observations at minimum stray light conditions, it will periodically introduce thermal variations during close approaches for perigee passes. As a result, thermo-elastic deformations between the spacecraft bus and the optical telescope assembly will affect the alignment between the star trackers and the payload instrument. This introduces a periodic high pointing uncertainty, which will not only interfere with the reliable placement of the target star on its intended location, but also its respective identification. Therefore, an additional acquisition system for a distinct target identification became crucial for the nominal mission operation. In its current im- plementation it consists of software to locate star positions on observed full frame images and two independent star identification algorithms, which are designed to identify the target star by its photometric or the geometric properties of the surrounding field of view (FOV). The main acquisition algorithm was built upon an algorithm that was originally developed for the use in star trackers that operate in lost in space scenarios, where no initial attitude information is available. It was adapted and optimised for the special case of CHEOPS, where an initial attitude up to a maximum pointing error is available for each observation. The design, implementation and configuration of said acquisition system is subject of this thesis, which is meant to be a compendium for the CHEOPS science operations staff. In addition, it features a detailed description of the various test campaigns that verified the optimal performance under all anticipated conditions.

Keywords (eng)