Lanseras tillsammans 2020, de två satelliterna som utgör Proba-3 kommer att flyga i exakt formation för att bilda en extern koronagraf i rymden, en satellit som förmörkar solen för att låta den andra studera den annars osynliga solkoronan. Kredit:ESA
Den längsta korridoren i ESA:s största anläggning förvandlades till en testplats för ett av byråns mest ambitiösa framtida uppdrag, Proba-3. De två satelliterna som utgör detta uppdrag kommer att radas upp så att den ena kastar en skugga på den andra, avslöjar inre delar av solens spöklika atmosfär. Men sådan precisionsflygning kommer bara att vara möjlig genom ett visionbaserat sensorsystem som tillåter en satellit att låsa sig vid den andra.
Proba-3-paret kommer att flyga nominellt 144 m från varandra för koronala observationer, samtidigt som de utför formationsomställningsmanövrar som kommer att ändra deras avstånd hela vägen ner till 25 m, och upp till 250 m.
Testning av detta sensorsystem för att göra detta möjligt ägde rum på ESA:s tekniska center ESTEC i Noordwijk, Nederländerna, använder sin 230 m långa huvudkorridor, som kopplar samman projektkontor med tekniska laboratorier och etablissemangets satellittestcenter.
Ljus dämpades och utställningar togs bort för att testversioner av kamerorna skulle kunna observera ett flygliknande mål med LED-displayer längs hela korridoren.
"Detta visionbaserade sensorsystem är det första sättet att de två satelliterna skaffar sig formation, och återförvärva den en gång per omloppsbana, " förklarar Damien Galano, ESA:s Proba-3 projektledare.
"Den är designad för att låta paret hitta varandra och uppskatta sin relativa position ner till några millimeters precision, över avstånd på 20 till 250 m, tillåter rymdfarkosten att autonomt manövrera in i formation. Så vi behövde ett långt utrymme för att testa det, och ett inomhusutrymme som detta är mycket mer kontrollerbart än utomhus, där vind och andra störningar skulle störa installationen."
Förtest med målet på 15 meters avstånd från kameran för att kontrollera att Proba-3:s synbaserade sensorsystem fungerar bra. Testet för formationsflygningsuppdraget ägde rum i ESTEC:s 230 m långa huvudkorridor. Kredit:ESA
Planerad för lansering 2023, Proba-3:s satelliter i två meters skala kommer att radas upp på ett sådant sätt att den ena - "Occulter" - blockerar den bländande solskivan för den andra "Coronagraph." Detta kommer att ge forskarna en hållbar bild av dess inre skikt av dess svaga atmosfär, eller 'corona, " normalt dold i intensivt solljus - förutom under korta solförmörkelser.
"De två satelliterna kommer att flyga tillsammans i en långsträckt eller mycket elliptisk 19,6 timmars omloppsbana, säger Raphael Rougeot, Sannolikt - 3 mi
"Att aktivt flyga i formation under hela den här omloppsbanan skulle vara opraktiskt. Istället flyger satelliterna bara i formation under de sex timmarna runt 60 000 km höjdtoppen – eller 'apogeum' – av deras omloppsbana. Resten av tiden manövreras de in i en friflygande relativ bana som garanterar säkerheten för uppdraget. Sedan, när de kommer ut ur botten av sin omloppsbana – eller 'perigeum' – måste de återfå varandra."
Proba-3:s satellitpar kommer att vara i en mycket elliptisk bana runt jorden, utföra formationsflygmanövrar samt vetenskapliga studier av solkoronan. Ockultersatelliten kommer att ha solpaneler på sin sida som vetter mot solen. Kredit:ESA-P. Carril
En uppsättning kameror kommer att finnas ombord på Occulter-satelliten, Håll utkik efter pulserande lysdioder på Coronagraph-en i varje hörn plus ett mindre fyrkantigt mönster på höger sida, avsedd att avslöja satellitorienteringen och möjliggöra närhetsoperationer.
Raphael tillägger:"Det behövs två kameror med olika synfält. Den första kameran har ett brett synfält på 15 grader, används för att hitta Coronagraph. Den andra har ett smalare synfält för att ge den nödvändiga millimeterskalan. En annan sensor tillåter synkronisering av deras bildupptagningar med LED-pulserna. En sådan exakt synkronisering – ner till en fråga om 10 miljondelar av en sekund – är nödvändig eftersom ljuset från lysdioderna annars skulle kunna gå förlorat i solens falska reflektion på Coronagraph, eller i den ljusa jorden i bakgrunden. Dessutom, kamerorna kommer också att ha ett filter som är optimerat för det nära-infraröda LED-ljuset."
Testning av kamerasystemet och ett kvadratmeter LED-bärande mål placerades ut med 30 m intervall längs korridorens längd, ger lovande resultat. För att simulera solstrålningsljus, en specifik lampa med rätt spektrala egenskaper användes. Denna lampa karakteriserades speciellt av ESTEC:s Optiklaboratorium för detta test.
Proba-3. Kredit:ESA-P. Carril, 2013
Den reducerade versionen av LED-målplattan för Proba-3 vision-baserad sensorsystemtestning, monterad på robotarmen i GRALS-anläggningen. Kredit:ESA
Som en uppföljning, en mindre version av LED-målet monterades på en rälsmonterad robotarm i ESTEC:s Guidance Navigation and Control Rendezvous, Simulator för inflygning och landning, eller GRALS. Denna 33 m långa anläggning används för att simulera närflygningar, möte och dockning mellan rymdobjekt.
Jonathan Grzymisch, Proba-3 vägledningsnavigerings- och kontrollsystemingenjör, förklarar:"Robotarmen flyttade LED-målet längs ett förprogrammerat mönster medan kamerorna tittade på, låter instrumentprogramvaran kontinuerligt beräkna dess relativa dynamiska bana. Detta tillåter oss att karakterisera sensorns prestanda på en deterministisk dynamisk basis. Båda testerna fungerade bra, tack vare samarbetet mellan ESTEC:s Facility Management och relevanta tekniska sektioner."
Proba-3:s visionbaserade sensorsystem har utvecklats av Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Teamet kunde inte vara personligen närvarande på ESTEC på grund av covid-19-restriktioner, men stödde testningen på distans medan ESA-ingenjörer förberedde och körde testet.
