Customer SolutionsJohns Hopkins University simuliert Solarzellen für Raumschiffe mit NI LabVIEW und PXI
Author(s):Bill Brandenburg, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Industry:Aerospace/Avionics, University/Education
Product:Data Acquisition, GPIB & Instrument Control, LabVIEW, PXI/CompactPCI
The Challenge:Entwicklung eines auf der Erde befindlichen Systems zur präzisen Simulation der Betriebsbedingungen von Solarzellen von Raumschiffen und die Automatisierung dieses Prozesses mithilfe der Software National Instruments LabVIEW, wobei die Umlaufbahn des Raumschiffs von einem Missionskontrollzentrum aus simuliert werden soll
The Solution:Der Einsatz von NI LabVIEW, dem DC-Chassis PXI-1000B, dem Analogausgangsmodul PXI-6713 und der PCMCIA-GPIB-Schnittstelle zur Steuerung der Stromversorgung, die Integration der bestehenden GPIB-Systeme und die Automatisierung des gesamten Prozesses mit einer einzigen Programmiersprache, um die Anforderungen an eine automatisierte Solarzellensimulation mit dezentraler Kommunikation zu erfüllen
Die Bedeutung der Simulation für den Betrieb von Solarpanels Das Applied Physics Laboratory des Weltraumfachbereichs der Johns Hopkins University spielt eine wichtige Rolle auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt. Vom Konzept bis zum Einsatz erstellt das Labor innovative und technisch anspruchsvolle Hardware für Satelliten. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Prozesses ist die Simulation des Betriebs von Solarpanels für Raumschiffe, um Bauteile von Satellitenstromsystemen komplett zu testen. Mithilfe von LabVIEW und PXI konnten Systeme erstellt werden, die die Anforderungen an eine automatisierte Solarzellensimulation mit dezentraler Kommunikation komplett erfüllten. Test und Validierung des Satellitenbetriebs Um auf der Erde den Betrieb von Satelliten richtig zu testen und zu validieren, müssen Ingenieure die von den Solarpanels erzeugte Energie richtig simulieren. Während die Batterien die überschüssige Energie des Raumschiffs speichern, dienen die Solarzellen als Hauptstromquelle. Ingenieure nutzen die Solarzellensimulation, um diesen Strom für Bodenversuche nachzubilden. Sie entwickelten die Solarzellensimulation, indem sie eine Gruppe von Stromversorgungseinheiten miteinander verdrahteten, um einzelne oder ganze in Reihe geschaltete Solarzellen zur Stromversorgung zu simulieren. Das System steuert jede Stromversorgungseinheit so, dass sie genau die für den Test erforderlichen Betriebsbedingungen schafft. In der Vergangenheit konnten Ingenieure, da sie die Einstellungen für die Solarzellensimulation für die Leerlaufspannung (Voc) und den Kurzschlussstrom (Isc) jeder einzelnen Stromversorgungseinheit bestimmten, nur innerhalb festgelegter Betriebsmodi arbeiten. Bei manchen Raumschiffen erforderte jedoch die Häufigkeit der Veränderungen bei den Voc- und Isc-Werten ein Design der Solarzellensimulation, das die Flexibilität bietet, die Voc- und Isc-Einstellungen über bereits programmierte Daten zu steuern. Durch die Integration von LabVIEW wurden die Netzteile für die Solarzellensimulation so programmiert, dass sie nicht nur Simulationen in einem festgelegten Modus sondern auch dynamische Orbitalsimulationen ausführen können. Zudem konnte aufgrund der mit LabVIEW möglichen Webtechnologie unabhängig von dezentralen Rechnern aus gearbeitet werden. Für das Raumschiff COntour Nucleus TOUR (CONTOUR) wurde die Steuerungsgeschwindigkeit der Stromversorgung für die Solarzellensimulation erhöht, um die Stromdynamik der Solarzellen angemessen simulieren zu können. Bei CONTOUR handelte es sich um ein Kreiselraumschiff mit sechs Solarzellenträgern, die am sechseckigen Rumpf des Raumschiffs fest angebracht waren. Für den Entwurf dieser Solarzellensimulation wurde LabVIEW eingesetzt, um vier Analogausgangsmodule des Typs NI PXI-6713 mit großen Arrays simulierter Daten zu programmieren, die die Netzteile der Solarzellensimulation direkt steuerten und in Schritten von zwei Grad die schnell wechselnden dynamischen Schwankungen der Solarzellenleistung während des Eigenrotationsbetriebs des Raumschiffs simulieren. Das System simulierte in Reihe geschaltete einzelne Solarzellen, um die zyklische Abschattung der Stromversorgung der Solarzellen auszugleichen, die von den verschiedenen herausragenden Objekten und Antennen verursacht wird, während sich das Raumschiff mit seiner Geschwindigkeit von 60 Umdrehungen pro Minute drehte. Dieses Niveau an Wiedergabetreue wurde am Applied Physics Laboratory zuvor nicht erreicht und stellte eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu bisherigen Entwürfen dar. Die Entwürfe für die Raumschiffe MESSENGER und STEREO machten ebenfalls Orbitalsimulationen erforderlich. In beiden Fällen wurde LabVIEW eingesetzt, um Orbitaldaten aus Dateien zu lesen, die von den für das Stromnetz verantwortlichen Ingenieuren entwickelt wurden und die dynamische Werte für Voc und Isc ermitteln würden, während sich das Raumschiff durchs All bewegte. Ähnliche Datendateien wurden erstellt, um die fluktuierende Solarzellenleistung zu simulieren, zu der es kurz nach dem Start, während der Beendigung der Taumelbewegung des Raumschiffs, kommt. Mithilfe von LabVIEW war es möglich, hardwareseitige Fehler zu beheben.Aufgrund von Schaltungen zum Vormagnetisieren beim Isc-Entwurf wies der Isc-Istwert eine geringe Abweichung vom Voc-Wert auf. Mithilfe der Formelknoten-Funktion in LabVIEW konnte diese Abweichung unabhängig berichtigt werden. Mehrere Korrektionskurven auf Grundlage der Formel Y=Mx+B wurden in die VI-Datei von LabVIEW integriert. Zudem wurden je nach Voc geringfügige Anpassungen an den Isc-Werten vorgenommen. Eine abschließende Anforderung bestand darin, dass das Solarzellensimulationssystem nicht nur manuell und vor Ort, sondern auch ferngesteuert werden sollte. Mithilfe der Webfähigkeiten von LabVIEW und einer dedizierten Ethernet-Anbindung wurde jede Solarzellensimulation so entwickelt, dass sie von einem Missionskontrollzentrum aus ferngesteuert werden konnte. Diese zusätzliche Funktionalität bot Ingenieuren und Technikern mehr Flexibilität sowie einen Vorteil hinsichtlich der Sicherheit, da sie während der Integration und der Startvorgänge nicht immer am Teststandort sein mussten. Zufriedenheit, Funktionen und Präzision LabVIEW und PXI verbesserten die Entwurfsoptionen bei der Solarzellensimulation, wenn die Satellitenstromversorgungssysteme getestet wurden. Jetzt werden Betriebsmodi, wie Orbitalsimulation und Taumeln des Raumschiffs, deren Implementierung zuvor noch Schwierigkeiten aufwarf, ganz einfach simuliert. Außerdem ist nun die Möglichkeit, die Systeme durch Personal dezentral und präzise steuern zu lassen, das sich an weit voneinander entfernten Orten befindet, nicht nur eine Tatsache, sondern die Norm. Weitere Informationen erhalten Sie über: Bill Brandenburg Associate Engineer Space Department Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory 11100 Johns Hopkins Road Laurel, MD 20723, USA Tel.: +1-443-778-5380 Fax: +1-443-778-0497 E-Mail: bill.brandenburg@jhuapl.edu
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