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Guiding and target acquisition for the ARIEL Space Mission

Gerald Mösenlechner

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Astronomie

Betreuer*in

Franz Kerschbaum

Mitbetreuer*in

Roland Ottensamer

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DOI

10.25365/thesis.69701

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11112.89024.263378-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das Atmospheric Remote-sensing infrared Exoplanet Large-Survey, ARIEL, ist die neuste Ergänzung des Cosmic Visions Programms der ESA in Form des M4 Slots. ARIEL ist designed um hochaufgelöste, multi-wellenlängen Spektroskopie von bekannten Transit-Exoplaneten durchzuführen. Diese Messungen werden über lange Zeitspannen aufgenommen und verlangen einen hohen Grad an photometrischer Stabilität. Diese Beobachtungen dienen dem Studium der chemischen Zusamensetzung von Exoplaneten-Atmosphären und deren thermische Struktur. Dieser einzigartige Anwendungsfall benötigt eine hoch-präzise Teleskopnachfürung, um Rauschen zu vermindern. Dies führt zur Implementation eines Instruments, das sowohl für wissenschaftliche Zwecke als auch der Nachführung gewidmet ist, dem Fine Guidance Sensor (FGS). Der ARIEL FGS kombiniert drei photometrische Kanäle mit einer Bandbreite von 0.6 µm bis 1.2 µm und einem Spektrometer. Zwei der photometrischen Kanäle bilden das Fine Guidance System während der andere photometrische Kanal und der Spektrograph als zusätzliche wissenschaftliche Ressourcen dienen. Die zwei Nachführungs-Kanäle decken 0.6-0.8 µm (Kanal 1) und 0.8-1.1 µm (Kanal 2) ab und bilden ein redundantes System. Diese Kanäle nehmen Bilder auf, welche and die Detector Control Unit (DCU) übertragen werden. Diese werden dann and die Data Processing Unit (DPU) des FGS, die FGS Control Unit (FCU), geschickt. Die FCU dient als Hardware für die Instrument Application Software (IASW) welche dem Instrument eine Bandbreite von Funktionen zur Verfügung stellt. Die zwei Hauptmodi der IASWs sind Tracking und Acquisition. Beide dieser Modi messen die Position des Ziel Sterns mithilfe eines Zentrierungsalgorithmus. Im Modus Tracking misst die IASW die Position mit einer Rate von 8Hz oder 10Hz mit einem kleinen Bildfeld. Die Positionsdaten werden dann an das Altitude and Orbit Control System (AOCS) gegben und bilden einen Regelkreis für die Ausrichtungskorrektur des Teleskops während Beobachtungen. Der Modus Acquisition wird verwendet um die initiale Position des Zielsterns zu finden, nachdem das Telesekop grob mithilfe der Star Tracker ausgreichtet wurde. Zusätzlich zu den Positionsmessungen wird auch analysiert, ob der gefundene Stern das gewünschte Ziel ist. Diese Masterarbeit behandelt die Entwicklung und das Testen der Algorithmen, welche die IASW verwendet. Eine Vielzahl von Algorithmen wurden auf deren Verwendbarkeit in Hinsicht auf Rechenzeit, Genauigkeit und Stabilität untersucht. Für die Messung der Genauigkeit der Algorithmen wurden Testfälle mithilfe des StarSim Simulators erstellt, welcher bereits bei der Cheops Weltraummission Anwendung fand. Letztens behandelt diese Arbeit die Methoden, die als Qualitätsindex der Messungen verwendet werden, sowie diverse Korrekturprozesse.

Abstract

(Englisch)

The Atmospheric Remote-sensing Exoplanet Large-survey (ARIEL) is the most re- cent addition to the Cosmic Visions program of ESA as its M4 slot. ARIEL is designed to perform high resolution, multi-wavelength spectroscopy of known transiting exoplanets. These measurements are carried out over long time periods and demand a high level of photometric stability. These observations will allow the study of the chemical composition of exoplanetary atmospheres and their thermal structure. This unique use-case of the mission demands high precision of the telescopes’ pointing in order to reduce noise. This warrants the implementation of an instrument that is dedicated to both scien- tific measurements and the guiding task, the Fine Guidance Sensor. The ARIEL FGS combines three photometric channels ranging from 0.6 µm to 1.2 µm and a spectrometer. Two of the photometric channels form the Fine Guidance System while the other photometric channel and the spectrometer are used to provide additional scientific capabilities. The two guiding channels operate in the range of 0.6-0.8 µm (Channel 1) and 0.8-1.1 µm (Channel 2) and form a redundant system. The channels are used to take images, which are then transferred to the Detector Control Unit (DCU). These are then sent to the Data Processing Unit (DPU) of the FGS, the FGS Control Unit (FCU). The FCU runs the Instrument Application Software (IASW) that provides the instrument with a wide range of functionality. The IASWs two main operation modes are Tracking and Acquisition. Both of these modes measure the position of the target star using a centroiding algorithm. In the mode Tracking, the IASW samples the position at a rate of 8Hz or 10Hz on a small Filed of View (FoV). This positional data is then given to the Altitude and Orbit Control System (AOCS) and provides a closed loop that corrects the pointing of the telescope during operation. The mode Acquisition is used to obtain the initial position of the target star after the rough pointing of the telescope is achieved by the star trackers. In addition to the positional measurement, it is also analysed, whether or not the acquired star is the given target. This thesis covers the development and performance testing of the algorithms used by the IASW. A wide range of algorithms has been studied for their viability in regard to processing time, precision and stability. A set of test cases has been created using the StarSim simulator that has already been used in the context of the Cheops space mission. Lastly, this thesis describes the methods implemented as a quality index for the measurements and various correction processes.

Autor*innen

Gerald Mösenlechner

Haupttitel (Englisch)

Guiding and target acquisition for the ARIEL Space Mission

Paralleltitel (Deutsch)

Nachführung und Zielerfassung für die ARIEL Weltraum Mission

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

ix, 71 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Franz Kerschbaum

Klassifikation

39 Astronomie > 39.12 Astronomische Instrumente

AC Nummer

AC16432865

Utheses ID

59265

Studienkennzahl

UA | 066 | 861 | |

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