国际航空航天教育合作与实践：SpaceMaster课程与维尔茨堡大学的成功案例

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年SpaceMaster：作为国际跨学科教育努力的K. 席林维尔茨堡大学Informatik VII：Robotics Telecom，Am Hubland，D-97074 Würzburg，Germany电子邮件：schi@informatik.uni-wuerzburg.de翻译后摘要：航空航天工程师的要求很高，因为只有少数训练有素的专家在这一领域提供。作为回应，2005年在欧洲精英方案“Erasmus Mundus”中设立了国际课程“SpaceMaster”，以培训有才华的年轻人掌握具有挑战性的空间科学和技术。在这里，六所欧洲大学合作，并为这一跨学科课程贡献他们的专业知识。特别是系统设计技术的强调，这是广泛的工业应用扩展远远超出航空航天的利益。重点放在实践中的实现方面，特别是在论文工作的框架内对维尔茨堡大学的皮卫星计划的贡献。到目前为止，两颗卫星UWE-1和-2已经成功地进入轨道，但编队飞行的路线图为未来的UWE任务提供了长期前景。在这方面的贡献，国际大学合作，课程和实现皮卫星的具体方面，特别是在姿态确定/控制方面的处理。关键词：航空航天教育、小型卫星、国际教育合作、控制教育、姿态确定和控制。1. 介绍全球对航空航天工程师的需求量很大。特别强调的是在系统工程的国际和跨学科的技能，由于在这一领域的具体工作条件。例如，仅在德国，到2020年就需要5万多名工程师和研究人员[DLR，2008]。针对这些需要，来自不同国家的六所欧洲大学发起了“空间硕士-空间科学和技术硕士”硕士研究方案的合作。它被欧盟选为卓越计划“伊拉斯谟世界”研究的资助对象，重点是高等教育领域的合作和流动性。它的目的是除了在挑战最新技术方面的教育外，还通过在人力资源开发方面的全球合作促进人与人之间和文化之间的理解。它通过增加欧盟和其他国家之间的流动性来支持大学的国际化能力。空间科学和技术提供了一个非常鼓舞人心的背景，面 向 跨 学 科 系 统 设 计 的 基 础 [Schilling ，2006] ， [Wertz 等 人 ， 2011 年 ] 、[Fortescue/Stark，1991年]，以及空间项目中固有的国际合作，但也反映在欧洲航天局（欧空局）中，该机构得到20个国家的支持。本文介绍了SpaceMaster计划，并特别强调其综合航天器系统的设计实现方面。学生们根据UWE路线图（维尔茨堡大学图1：用于高效通信的皮卫星和地面站的未来网络。© 2012 IFAC 300 10.3182/20120619-3-RU-2024.000642012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会301在这方面，需要解决关于姿态和轨道确定和控制的挑战性问题，以便为分布式航天器系统开辟令人感兴趣的应用前景，特别是在地球观测和电信方面[Alfriend等人，2010]，[Schilling等人，2009年]。2. 太空大师SpaceMaster联合会整合了来自欧洲各大学的专业知识，以创建空间科学和技术方面的欧洲联合硕士课程。学生将参加项目和研究活动，同时阐述他们的硕士论文。其中许多项 目 将 与 欧 洲 工 业 界 密 切 合 作 。SpaceMaster为学生提供在空间工业和研究机构就业的相关技术背景教育。该计划于2005年启动，在前6年已经毕业了来自41个国家的180多名学生。第一年专门在维尔茨堡（第一学期）和基律纳（第二学期）联合授课，整个小组都在学习与空间有关的基本课程。其目的是，除了联合技术基础外，还建立了欧洲学生与第三国学生之间的联系，以形成未来合作的专业网络。SpaceMaster计划的学生可以体验许多不同的气候，自然和文化科学空间项目需要昂贵的设备来研究我们的母星及其周围的宇宙。这样，通过科学界之间的密切合作，可以向学生提供来自伙伴国家的设备。因此，在学习期间体验国际合作的跨文化方面也是该计划的一个组成部分。学生必须在第一和第二学期参加特定课程，每 学 期 达 到 30 ECTS （ 欧 洲 学 分 转 换 系统）。第一学期总是在维尔茨堡大学开始，包括以下科目：空间物理学导论（8 ECTS）航天器系统设计（8 ECTS）空间动力学（4 ECTS）CanSat实验室（7 ECTS）计算机科学三大主题之一：JAVA编程（3 ECTS），o数据库系统（3 ECTS），o互联网技术 （3学分）而Lulea技术大学（瑞典）基律纳空间校区的第二学期则涉及以下主题：航天器环境相互作用（7.5 ECTS）空间物理（7.5 ECTS）空间电子学（7.5 ECTS）光学和雷达观测（7.5 ECTS）第三学期将根据专业领域划分小组，如下所述。学生参加模块（30学分）在相关的合作伙伴大学，以他们的学习偏好。在第四学期（30学分）的论文是强制性的，以获得硕士学位。对于这第二年，六所合作大学提供以下领域的详细研究的替代选择：系 统 与 结 构 动 力 学与 控 制 （ CranfieldUniversity）空间机器人与自动化（阿尔托大学）空间机器人/皮卫星系统设计中的自动化、控制和通信（维尔茨堡大学）空间技术和仪器（Lulea大学）空间自动化和控制（捷克技术大学）空间技术和仪器（图卢兹保罗萨巴蒂尔大学）大气和空间科学（Lulea大学）天体物理学、空间科学、行星学（图卢兹保罗·萨巴蒂尔大学）研讨会和实验室工作是与这些特定主题相关的课程的一部分。每个课程单元结束时都要通过笔试。在成功完成这两年的课程后，将从两所欧洲大学获得两个硕士学位，其中大部分学分都获得了。3. 小型卫星设计维尔茨堡大学该计划的一个具体亮点是有机会在论文期间参与小型卫星设计活动。在UWE计划（维尔茨堡大学的E实验卫星）中，迄今为止，学生建造的2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会302UWE-3号计划于2012年底发射，UWE-4号计划于2013年发射。3.1 皮卫星大学是非常小型卫星领域的积极参与者。在这方面，航天技术的重大进展仍有待于转移到太空。由于有限的卫星实现持续时间约为1年，这提供了很好的机会，实践系统工程技能的设计一个真正的航天器已经在研究期间。表1：卫星质量经典卫星大于500公斤小卫星100微小卫星二十纳米卫星1皮卫星约1公斤由于教育方面的考虑，目前微微卫星和纳米卫星的发射数量显著增加（参见第10段）。图2），主要是由于大学的研究和教育活动[Schilling，2006]，[Twiggs，2002]，Schilling/Briewell，2008年]。图2：全球发射的皮卫星数量。2002年]。这有助于共享联合发射装置适配器和卫星部件。由于发射成本与质量成正比，小型卫星提供了一种低成本的方法来进行创新微型技术的在轨测试。由于小型卫星活动日益增多（美国国家科学基金会，详情见http://www.nsf.gov/funding/pgm_summ.jsp？pims_id=503172 org=GEO，Japanesehttp://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nsat/main_e.htmlhttp://www.jsps.go.jp/english/e-first/这为航天器设计的创新开辟了非常有趣的前景，因为与传统的航天器实施方法（约10年）相比，从概念到在轨验证的时间非常短（1-2年）。3.2 UWE Pico-Sainte2003年在立方体卫星标准基础上启动的维尔茨堡大学实验卫星方案提供了这种用于科学实验的非常小的卫星的一个具体例子UWE计划的目标是逐步开发质量低于1公斤的极小卫星编队飞行所需的技术。纳米卫星40353025201510微微卫星50美国欧罗巴AsienNaher OstenSüdamerika图四：的 皮卫星 UWE-2设计图3：1990 - 2008年期间发射的微微卫星和纳米卫星飞行任务的地理分布情况特别是，立方体卫星框架内的标准化，即设计边长为10厘米、质量低于1公斤的立方体卫 星 ， 促 进 了 重 要 的 国 际 大 学 合 作[Twiggs，用于与远程通信和姿态确定相关的实验。第一颗卫星UWE-1（维尔茨堡大学的E实验卫星）于2005年由俄罗斯宇宙-3号用于电信链路的因特网协议中的参数的适配，2481881410516Anzahl gestarteter Satelliten2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会303延迟和干扰，典型的空间环境。技术发展，演示现代化技术以实现质量低于1公斤的卫星，使用微型Linux作为板上操作系统，在空间环境中测试欧洲制造的高效三结GaAs太阳能电池，通 过 互 联 网 将 地 面 控 制 站 并 入CubeSat地面站国际网络。UWE-1的任务于2006年初成功完成，展示了皮卫星用于空间研究的能力[Barza等人，2006年]。UWE系列的第二颗卫星以同一卫星平台为基础，继续进行IP电信实验和一套新的姿态确定传感器。UWE-2于2007年建造，直到2008年春天。印度PSLV火箭的发射推迟了一年，直到2009年9月成功进入轨道。这对于在地面后处理步骤中支持分布式卫星系统的数据融合至关重要。新研制的姿态确定系统在最低功耗、尺寸和质量方面进行了优化，以满足1公斤的要求。目前正在实施UWE-3，下一步将继续实现皮卫星尺寸的姿态控制系统。现有的被动姿态稳定系统基于与地球磁场相互作用的永磁体，通过磁转矩器和一个反作用轮来扩展，以实现姿态控制。通过这种方式，可以协调未来卫星编队中的视场。预计将于2012年底启动。与此同时，还为UWE-4开展了技术开发工作，该卫星致力于研究如何提高轨道控制水平。为此目的，对基于真空电弧推进器的适当电力推进系统进行了分析，以供未来在预计于2013年发射的UWE-4上实施。进一步正在进行的技术研究涉及相对距离和姿态测量[Tzschichholz等人，2011]，以及用于卫星间通信的移动自组织网络。这样，在每个UWE卫星任务中，研究了附加的必要部件，目的是最终实现小卫星的编队飞行。已经制定了一个路线图，为未来十颗卫星设定研究目标。这为学生提供了一个视角，使他们能够在实现阶段不断为一个使命做出贡献。图5：UWE团队在卫星集成的洁净室中。在随后的章节中，将讨论与航天器控制相关的 具 体 子 系 统 [Wertz ， 1978 年 ]、 [Sidi，2006年]：姿态确定与稳定UWE-1和UWE-2卫星通过使用小型永久磁铁使卫星与地球磁场线对准而被动稳定。UWE-2任务使用了一个精心设计的传感器系统，该系统基于立方体每侧的六对太阳传感器，一个磁力计和三个陀螺仪。图6：分布式传感器和OBDH这些测量与轨道和环境模型的组合提供了扩展卡尔曼滤波器的输入，以执行传感器数据融合，用于位置和姿态的鲁棒确定[Schmidt等人，2008年]。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会304图7：用于UWE-2的基于扩展卡尔曼滤波器的姿态确定的传感器数据融合方案。通信子系统一 个 经 过 改 装 的 现 成 收 发 机 用 于 在UHF/VHF无线电业余波段与地面站通信。无线电通过端馈半波天线以约1 W的功率发射。AX.25作为底层通信协议。AX.25的所有参数都可以通过地面命令进行修改，以实现更好的通信性能。传输速率和调制也可以通过命令修改为9600波特FSK或1200波特AFSK调制信号。默认安全值存储在卫星上，并可在检测到故障时加载。维尔茨堡地面站为了与卫星进行通信，2004年建立了一个地面站，该地面站还用于与地面站网络有关的实验。它支持VHF和UHF业余频段（2米和70厘米）的通信。天线塔（参见图8）安装在维尔茨堡大学计算机科学大楼的顶部;它由一个天线塔和天线转子和八木天线的电梯组成。控制硬件由COTS组件（COTS收发器、八重洲转子控制器）组成。地面站的硬件与几台台式电脑相连，负责卫星跟踪、命令发送和数据管理。网络中几个地面站的协调活动大大改进了卫星的运行。维尔茨堡大学与世界各地的不同机构合作，以增加与卫星的联系时间，并将从不同地面站收到的数据纳入一个一致的项目数据库[Schmidt/Schilling，2008年]。图8：安装在计算机科学系多个地面站的冗余跟踪使用重叠的接触窗口，将从卫星接收的测量值校正为最可靠的数据集。实验表明，即使有少量的地面站，也可以实现接触时间的显着增加。研究视角皮卫星编队的长期研究路线图为具体的学生项目提供了背景。这类地层尤其为地球观测应用提供了令人感兴趣的创新方法。卫星在低地球轨道（LEO）上实现了地面上的高空间分辨率，并为灾害监测等应用提供了有趣的潜力。由于轨道较低，这些卫星与地面参考点的相对速度很高，导致在目标地区的观测和通信联络时间很短。解决这一问题的一个办法是，利用在同一轨道上有几颗卫星的卫星星座来提高时间分辨率。这种结构的可实现的时间和空间分辨率为生物监测和监视开辟了新的应用领域。4. 结论SpaceMaster计划为空间科学和技术研究提供了跨学科和国际综合小卫星项目为实践系统工程技能到真实世界的卫星设计和实现提供了极好的机会。学生们非常积极地实现UWE系列的皮卫星。到目前为止，已经有两颗卫星被发射并进入轨道。未来的UWE卫星将调查2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会305并演示姿态和轨道控制系统技术，使皮卫星编队飞行，在地球观测和电信提供有趣的应用前景。确认德国航空航天中心和欧空局对UWE项目的支 持 以 及 由 我 的 合作 者 Marco Schmidt 和Stephan Busch领导的国际学生团队的热情贡献得到了认可，并形成了这一贡献的基础。引用Alfriend，K. 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