R1.5 Bodeninfrastruktur und Betrieb

Der Fachausschuss

Der Fachausschuss Bodeninfrastruktur und Betrieb befasst sich mit dem sogenannten Bodensegment (Ground Segment) und dem Raumfahrt-Betrieb (Space Operations). Dies umfasst konkret:

  • Betriebs- und Kontroll-Einrichtungen
  • Kommunikations-Einrichtungen
  • Spezifische Simulations- und Entwicklungs-Einrichtungen
  • Durchführung des Kontroll-Betriebs und Überwachung der sich im Weltraum befindlichen Raumfahrzeuge
  • Nutzlastdaten-Akquisition und -Verteilung

Andere, für Raumfahrt-Aktivitäten erforderliche Einrichtungen in der Boden-Infrastruktur, werden anderen Sparten in der Raumfahrt zugeordnet. So werden Integrations- und Test-Anlagen (Assembly, Integration, Verification & Test) in der Regel im Rahmen der Raumfahrzeug-Entwicklung von dem entsprechenden Raumfahrzeug-Entwickler oder -Hersteller betrieben oder separat angemietet. Startanlagen sowie die entsprechenden Raumtransportsysteme stellen ebenso eine separate Infrastruktur dar.

Während der Entwicklungsphase besteht eine enge Kooperation zwischen Raumsystem- (Raumsegment-) Entwicklung und Bodensegment- sowie Betriebs-Entwicklung. Beispielsweise stellen die Missionsanalyse und die Betriebsvorbereitung regelmäßig Gemeinschaftsaufgaben dar.
Während der Betriebsdurchführung überwacht ein Kontrollzentrum die Funktion und Missionsdurchführung der Raumfahrzeuge, zum Beispiel Satelliten, interplanetare Sonden oder eine Raumstation. Für die Kommunikation zwischen Boden-Kontrolle und Raumfahrzeug dient in der Regel ein global verteiltes Netz von Antennenanlagen oder es werden spezifisch lokal installierte Antennen verwendet, je nach Missionszweck und Bedarf des Nutzers oder Betreibers. Boden-Kommunikationsnetze dienen zum Beispiel zur Verteilung von Nutzlastdaten oder Bahninformationen.

Die Arbeitsgebiete des Fachausschusses umfassen unter anderem:

  • Technologien für die Bodenkontroll-Infrastruktur (aktuelle IT-Verfahren, Multimedia, Simulatoren, mobile Geräte, Gemeinsamkeiten von Test- und Betriebsanlagen)
  • Systeme, sowohl Software als auch Hardware, für die Betriebsdurchführung (Telemetrie-Prozessierung, Telekommandierung, Verschlüsselungstechniken)
  • Flugdynamik-Prozesse und -Kontrolle, inkl. Überwachung naher Begegnungen im Orbit und Durchführung von Ausweich-Maßnahmen
  • Standardisierung und Schnittstellen
  • Automatisierung und autonome Prozesse
  • Nutzer-Bodensegmente und -Kommunikation

Aktuelle Themen

Aus dem Spektrum der vom Fachausschuss behandelten Themen sind insbesondere folgende aktuell und sollen kurz angerissen werden:

Verschiedene Standards in der Raumfahrt

Speziell für die Raumfahrt sind zwei Standardisierungs-Organisationen hervorzuheben:
Zum einen das Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS), dessen TM/TC Packet Standard im professionellen Umfeld mittlerweile nahezu ausnahmslos implementiert wird. Die sogenannten Space Link Extensions erlauben weltweite Interoperabilität von Bodenstationen.
Zum anderen gelten im Bereich der Europäischen Weltraumorganisation ESA die ECSS-Standards (European Cooperation for Space Standardization). Die hier behandelten Themen reichen von Bau- und Testvorschriften für Hardware bis zum Management und der Konfigurationskontrolle von Missionen.

Um zukünftig alle Komponenten eines Bodensegments in Plug-and-Play-Weise zusammenzustecken, und zur Vereinheitlichung zwischen den Missionen beizutragen, entsteht ein neuer Standard "MO" (Mission Operations Common Object Model). Neben den beschriebenen Standards sind weitere raumfahrtbezogene Normen im Gebrauch, z.B. ISO (International Organization for Standardization) und AQAP (Allied Quality Assurance Publications).Während die ECSS-Anforderungsbände aufgrund ihres Umfangs in der Regel ein aufwendiges missionsspezifisches "Tailoring" erfordern, liefert die AQAP mit einem kompakten pragmatischen Ansatz eine unmittelbarere Anwendungsmöglichkeit.

Einbindung der Nutzer

Gerade für wissenschaftliche Raumfahrtmissionen erlangen zunehmend Konzepte mehr Bedeutung, die dem Nutzer und Endkunden einen einfacheren und direkteren Zugang zum Raumsegment ermöglichen. Ein derartiges Beispiel ist das SatNOGS-Netzwerk (ein Projekt der Libre Space Foundation), bestehend aus quasi Open-Source-Bodenstationen, für jeden Beobachter prinzipiell zugänglich und über das Internet vernetzt.

Nutzen und Herausforderungen von Mega-Konstellationen

Mehrere privatwirtschaftliche Unternehmen und Investoren bauen zurzeit größere Satelliten-Konstellationen auf, bestehend aus einigen hundert bis hin zu über 10.000 Satelliten. Dabei wird ein Paradigmenwechsel vollzogen: ein Satellit ist nicht mehr das rund um die Uhr betreute Einzelstück, sondern Element einer in "Mengenabfertigung" und im Systemverbund stehenden Überwachung. Dies beginnt beim Start: die Satelliten werden in großen Stückzahlen in Umlauf gebracht; und setzt sich bis zum Betrieb fort: Überwachung der Gesamtkonstellation.

Der Zielsetzung und dem Nutzen der Mega-Konstellation, etwa Internetzugang jederzeit und überall, stehen Herausforderungen gegenüber, wie etwa die immense Zunahme potenzieller "close encounters" in der Konstellation, eine entsprechend zu erwartende Zunahme von Kollisionswarnungen auch gegenüber anderen Satelliten außerhalb der Konstellation, die Bewältigung des (zunehmend automatisierten) Kontrollbetriebs inklusive flugdynamischer Maßnahmen, und schließlich die Frage des Umgangs mit ausgefallenen Satelliten.
Die Aufgaben lassen eine neue Generation von Bodensegmenten und Betriebskonzepten entstehen.

Weltraummüll

Die Menge an Weltraummüll ("space debris") im erdnahen Weltraum nimmt beständig zu, gemäß ESA (Website 12.10.2020) hauptsächlich durch Fragmentierungsprozesse, zu denen Kollisionen, Explosionen oder elektrische Probleme gehören. In diesem Kontext stellt der Aufbau der benannten Mega-Konstellationen ein zu berücksichtigendes Risiko dar, unabhängig davon, welche Strategie zur Weltraummüll-Vermeidung, z.B. De-Orbiting, für ausfallende Satelliten angewandt wird, denn manche Ereignisse, die Weltraummüll erzeugen, lassen sich auch durch bereits spezifizierte Verfahren nicht vermeiden. Neben der Überwachung der unerwünschten Müll-Teile und -Teilchen bzw. ihrer Orbits sind weitere effiziente Maßnahmen zu deren Vermeidung ein dringliches Forschungsfeld.

Autonomisierung in der Raumfahrt

Auch Automatisierung und Autonomisierung, etwaig unterstützt durch "künstliche Intelligenz" (KI), werden zukünftig einen wachsenden Einfluss auf das Bodensegment sowie den Raumfahrt-Betrieb nehmen. Dies betrifft ebenso das Raumsegment, d.h. den Satelliten oder eine Planetensonde, und erfordert eine entsprechende Ausrichtung der am Boden vorgenommenen Kontroll- und Überwachungs-Maßnahmen, inklusive der Flugdynamik-Prozesse.

Bei komplexen Softwaresystemen verwischt zudem vermehrt die Grenze zwischen dem, was lediglich das Konfigurieren der Applikation darstellt, und dem Implementieren von neuen Funktionen, etwa gefördert durch Anwendung von "Skript-Engines" sowie "DevOps"-Verfahren und -Tools zur agilen Software-Entwicklung.

Disruptive Technologien

In der Vergangenheit haben der Preisverfall von Datenverarbeitungs- und Speicherkapazität zu grundsätzlichen Änderungen der Hardwareausstattung eines Kontrollzentrums geführt. Mainframes, Workstations und Desktop-Computer haben sich nacheinander abgelöst, oft mit Steigerung der Rechen-Power. Haben die Datenleitungen zu weit entfernten Bodenstationen früher noch eine Herausforderung dargestellt, ist ein Link über das Internet heute selbstverständlich. Über etwaig anstehende nächste disruptive Technologien lässt sich nur schwerlich spekulieren.

Quantencomputer, so sie eine Anwendungsreife erlangen, könnten für die Informatik einen solchen "Game-Changer" bereitstellen.

Kryptographie im Raumfahrt-Bereich

Kryptographie-Maßnahmen, d.h. Verschlüsselung der Kommunikationsverbindungen zwischen den Raumfahrt-Systemen sowie schützenswerter Daten, stellen für immer mehr Raumfahrt-Missionen eine zentrale Forderung dar. Standards dazu werden z.B. durch CCSDS spezifiziert.
Entwicklungen auf diesem Gebiet sind im Raumfahrt-Bereich an vorderer Technologie-Front zu finden, etwa mit dem von der ESA 2018 angestoßenen Projekt "Quantum Cryptography Telecommunication System" (QUARTZ).

Literatur

  • Wiley J. Larson & James R. Wertz (eds.): Space Mission Analysis and Design, Second Edition, Microcosm, Inc. & Kluwer Academic Publishers.
  • Hans Dodel und Sabrina Eberle: Satellitenkommunikation, 2. Auflage, Springer-Verlag.
  • Walt Truszkowski, H. L. Hallock, Chr. Rouff, J. Karlin, J. Rash, M. Hinchey und R. Sterritt: Autonomous and Autonomic Systems: With Applications to NASA Intelligent Spacecraft Operations and Exploration Systems, Springer-Verlag.
  • COLUMBIA Accident Investigations Report, August 2003-11-24.
  • European Users Guide to Low Gravity Platforms: UIC-ESA-UM-0001.
  • International Space Station - User's Guide, Release 2.0, via Download (*):  http://www.spaceref.com/iss/ops/ISS.User.Guide.R2.pdf.

Links (*)

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Veranstaltungen

DGLR- und DLR-Veranstaltung

Ort

Datum

Workshop gemeinsam mit Q4.3 SW Engineering: "Künstliche Intelligenz"

TUM, Garching

9. Oktober 2019

Spacecraft Operations Course (s. http://www.dlr.de/rb/ „Events“)

GSOC, Oberpfaffenhofen

jährlich im Oktober

SpaceOps Symposium

verschiedene

alle zwei Jahre

Kontakt

Dipl.-Phys. Armin Braun

Dipl.-Phys. Armin Braun
Leitung

DLR - GSOC
Abt. RB-MB
Münchner Str.
82234 Weßling

Tel.: 08153 / 281272
Fax: 08153 / 281451
E-Mail: armin.braun(at)dlr.de

Armin Braun machte sein Diplom in Physik an der TU Darmstadt. Braun tritt 1988 in das DLR ein. Er nahm an „Launch and Early Operations Phases“ teil und arbeitete bis 1999 an unterschiedlichen Projekten mit wie Eutelsat II, EW1 im Bereich Subsystem und System-Aufgaben und ROSAT im Routinebetrieb. Braun leitete den Betrieb von Equator-S (Inter-Agency Solar-Terrestrial Program). 1999 wechselte er zur Missionsplanungsgruppe, woraufhin er in Houston bis 2000 an der Shuttle Radar Topgraphic Mission STS 99 mitarbeitete. Von 2000 bis 2007 arbeitete Braun im Bereich Missionsplanung an dem System der Missionen Champ, Grace und TerraSAR-X mit. Daraufhin war er zwei Jahre Project Manager des ENMAP Missionsbetrieb Segmentes. Von 2009 bis 2015 organisierte und baute Braun die Mission Control and Data System Gruppe auf. 2015 bis 2018 setzte er ein Business Information System auf. Seit 2019 ist er Teil der neuen Missionsbetriebstechnik Gruppe und DLR Repräsentant im EGS-CC Steering Board.

Dipl.-Phys. Dr. Clemens N. Tilgner

Dipl.-Phys. Dr. Clemens N. Tilgner
Stellvertr. Leitung

kumkeo GmbH
Senior Expert Space/Systems Engineering & Consultant
Heidenkampsweg 82a
20097 Hamburg

Tel.: 040/284676123
E-Mail: clemens.tilgner(at)kumkeo.de

Dr. Clemens Tilgner promovierte 1988 in Physik an der Rheinischen Friedrich Wilhelms-Universität Bonn. Schwerpunkt seiner beruflichen Aktivitäten bildete seitdem der Raumfahrtsektor, neben einigen Jahren im Luftfahrtbereich, mit langjährigen Tätigkeiten in den Feldern Instrument- und Systems Engineering, Satelliten-Systeme, AIT/AIV, System-Tests, Bodensystem-Konzepte, Bodensystem-Entwicklung, Entwicklung und Durchführung von Raumfahrt-Betrieb, in  industriellen, kommerziellen und Forschungs- sowie institutionellen Raumfahrt-Projekten, national und international, angefangen von ROSAT, über z.B. ISO, CHAMP, Satelliten-Projekte im regierungsnahen Umfeld, bis hin zu SGEO, H36W-1, Heinrich Hertz, u.a.. Tilgners Stationen u.a. im Max-Planck-Institut für Astronomie, der Eurospace GmbH/Altran, bei OHB System umfassten Verantwortlichkeiten im Projekt-Management, in Unternehmens-Umstrukturierungs-Maßnahmen, Abteilungsleitung oder Leitung zumeist internationaler Projekt-Teams. Mit dem Wechsel zur kumkeo GmbH in 2016 ist Tilgner als Senior Expert Space und Consultant für Kunden aus der Raumfahrt, Luftfahrt und dem Verteidigungssektor tätig.