Was ist eigentlich MISSION CONTROL, oder wie Satelliten das Fliegen lernen

Transkript

1 Was ist eigentlich MISSION CONTROL, oder wie Satelliten das Fliegen lernen Rolf Maarschalkerweerd Page 1

2 ... man denkt es geht so... Page 2

3 ... na ja, vielleicht ist es doch etwas anders Einen etwas tieferen Einblick in den Bereich Satellitenmissionen und wie Satelliten geflogen werden Page 3

4 Satellitenfamilien Grundsaetzlich 2 Familien 1. Anwendungssatelliten Nachrichtenuebertragung Wetter- und Erdbeobachtung Navigationsatelliten Militär und Sicherheit Bilder ESA Page 4

5 Satellitenfamilien (2) 2. Forschung- und Technologiesatelliten Erde und Umwelt Unser Sonnensystem Weltall, bzw alles andere Bilder ESA Page 5

6 Vorbereitung einer Satellitenmission Analyse der Missionsvorgaben Was soll der Satellit wie machen? Welche Flugbahn (Orbit) ist erforderlich Erdbeobachtung -> rel. niedrige Bahn, jedoch starke Bahnneigung zum Äquator TV-Satellit -> geostationäre Bahn, Satellit steht fest am Himmel Planeten- astronomische Mission -> effiziente Bahn zum Ziel mit möglichst wenig Energieaufwand: kleine Startrakete oder max. wissenschaftliche Nutzlast bei gegebener Rakete Welche Bodenstationen können benutzt werden Welche Startrakete wird benutzt Wie ist die Routinephase geplant Page 6

7 So was brauchen alle 1. ein Kontrollsystem zum Betrieb ( Fernsteuerung ) Überwachung (Telemetrie, Kommandofunktion, Datenspeicher) 2. Bodenstation verbunden mit dem Kontrollsystem Je nach Mission können auch mehrere Stationen nötig sein 3. Betriebsmannschaft die den Satelliten fliegt (Mission Control, das Flight Control Team) Je nach Mission ist eine Rund-um-die-Uhr Überwachung, z.b. bei geostationären Nachrichten- und Wettersatelliten nötig. Bei wissenschaftlichen Mission besteht oft nur sporadisch Kontakt zwischen der Betriebsmannschaft und dem Satelliten. Es können sogar mehrere Wochen zwischen Funkkontakten besten (Z.B. Deep Space Mission wie Rosetta während der Anreise. 4. eine Mannschaft zur Flugbahn- und Raumlage Berechnung Bei allen Missionen sind im Laufe der Mission Flugbahnbestimmung (Orbit) und Fluglage des Satelliten nötig. Besonders in der Anfangszeit er Satellitenmission ist sehr viel Aufwand in diesem Bereich erforderlich 5. eine Trägerrakete Page 7

8 Trägerraketen Jede Satellitenmission benötigt eine bestimmte Flugbahn, den sogenannten Orbit. Als Transportmittel gibt es eine Reihe Raketen, die für jeden Satelliten, je nach Anforderungen an die Flugbahn, das Gewicht des Satelliten, den Startplatz und natürlich dem Startpreis ausgesucht werden. Delta2 Sojus PLSV Rockot (USA) (Russland) (Indien) (Russland/EU) Page 8

9 Trägerraketen(2) die grösseren Versionen sind Ariane 5 Delta 4-heavy Proton (Europa) (USA) (Russland) Langer Marsch (China) Page 9

10 Vorbereitung einer Satellitenmission Die Einbindung von Mission Control beginnt 3-5 Jahre vor dem Starttermin! Wenn Mission, Satellit, Rakete und Bodenstationen fest liegen, wird die Mission im Detail geplant Die Satellitenentwicklung wird parallel mit der Entwicklung des Bodensegments durchgeführt. Nur so ist sichergestellt, dass alles zusammen passt. - Während der Satellit gebaut wird, erstellt Mission Control die dazugehörigen Bodenbetriebssysteme. - Das System zur Satellitenüberwachung (Fernsteuerung) wir nach Anforderung des Satelliten erstellt. - Ein Flugsimulator wird entwickelt um die zu entwickelnden Systeme zu testen. Der Simulator ist notwendig, da ja der Satellit noch im Bau sich befindet. - Ausserdem werden die Flugprozeduren mit dem Simulator überprüft, sowie das Flugkontrollteam daran trainiert. Page 10

11 Aufgaben von Mission Control vor dem Start (1) Begleitung der Satellitenentwicklung, Abstimmung der Betriebsmodi, Sicherstellung der Kompatibilität zwischen Bodenund Flugsegment Definition vom Betriebskonzept, vom Zeitpunkt des Starts, der Inbetriebnahme im Orbit bis zum Missionsende Flugprozeduren werden erstellt, getestet und am Simulator geprobt Je nach Satellit gibt es ca. 500 bis > 3000 verschiedene Kommandos, manche Satelliten haben auch > Kommandos. Der Telemetrieumfang (das, was der Satellit an Datenwerten wie Spannung, Temperatur, Zustand sendet) liegt bei 1000 bis weit über 20000(!) Messwerten. Der Kernbereich, d.h. das was lebenswichtig zum Betrieb gehört (d.h. ohne Nutzlastdaten) liegt so im Bereich von 300 bis 2000 Messwerten. Die Wiederholraten (wie oft ein Messwert gesendet wird) liegt zwischen1 und 30 Sekunden. Diese Messwerte werden dauernd auf Grenzwertübertretung (out-of-limits) überwacht. Page 11

12 Aufgaben von Mission Control vor dem Start (2) Für den nicht nominellen Fall, wenn im Orbit was schief läuft: Erstellung der Notfallprozeduren. Ermittlung möglicher Fehler und deren Behebung. Je nach Komplexität des Satelliten bzw. der Satellitenmission werden zwischen einigen Dutzend und mehreren hundert Notfallsituationen analysiert und die Korrekturprozeduren erstellt. Alle Korrekturprozeduren werden am Simulator durchgespielt und alle zeitkritischen mit dem kompletten Flugkontrollteam geübt, viele mehr als 1 mal. Page 12

13 Aufgaben von Mission Control vor dem Start (3) Das Simulationsprogramm zur Startvorbereitung - Ca 6 Monate vor dem Start beginnt das Simulationsprogramm - Flugkontrollteam übt zusammen mit den Flugdynamiker, den Bodenstationen und dem Softwareexpertenteam die Start und Positionierung des Satelliten. - Der Zeitplan der Inbetriebnahme wird optimiert, die Prozeduren überprüft sowie das Zusammenspiel mit den Bodenstationen geübt. - Unterstützt wird die Simulationskampagne von einem Expertenteam des Satellitenprojektes sowie des Satellitenherstellers. Zum Abschluss der Simulationskampagne gibt es eine Generalprobe. Alle Beteiligten führen den Count-Down von L-3 Std bis zur (simulierten) Kontaktaufnahme durch Page 13

14 Teamarbeit ist alles, die dazu gehörigen Teams Während der Start und Positionierungsphase sind alle Überwachungsplätze 24 Std am Tag besetzt, in der Regel in 2 Schichten à 12 Std. Jede Schicht hat folgende Teammitglieder Das Flugkontrollteam: Ein Ingenieur pro Satellitensystem, plus Teamleiter d.h. Stromversorgungsinginieur Orbit und Lageregelung Thermalsystem On-Board Computer und Datenverarbeitung RF Systeme und Interface zu Bodensystemen Betrieb der ferngesteuerten Bodenstationen: Teamleiter plus 1-2 Operatoren Computer und Software: Teamleiter plus 1-2 s/w Ingieure Projekt und Satellitenhersteller: Projektleiter plus 5-10 Experten von der Industrie Gesamtverantwortung liegt beim Flugdirektor Page 14

15 Hauptkontrollraum während einer Start und Positionierungsphase Page 15

16 Mission Control, die Bodensysteme Hauptsysteme Resatzsysteme Flight Control Team Orbit& Lage Telemetrie & Kommando Server Orbit& Lage Telemetrie & Kommando Server Kommunikations- Rechner Kontrollraum Kommunikations- Rechner Kontrollraum Verschiedene Kontinente Bodenstation 1 Bodenstation 2 Bodenstation 3 Bodenstation n Page 16

17 Bodenstationen, ohne Funk geht nix!... und von hier wird gefunkt Page 17

18 Die Funkfrequenzen, interessiert alle Funkamateure... - Sputnik sendete auf Kurzwelle, hatte wohl nicht nur technische Gründe... - Man ging schnell in den VHF-Bereich, bis Ende der 70ger Jahre - Das S-Band (2,1 bis 2,3 GHz) wurde in den 80ger Jahren Standard - Das X-Band (7-8 Ghz) wurde zuerst nur für Deep Space Missionen, auch schon in den 70gern, (Entfernung >2 Millionen km) benutzt. Gründe waren die besseren Bedingungen, mehr Antennengewinn am Satelliten, bessere Pegel auf beiden Seiten. - Heute auch in erdnahen Orbits in Benutzung, hier jedoch wegen der verfügbaren Bandbereite. Datenraten Satellit zur Bodenstation oft > 100 Mbit/sec) - Wegen Frequenzknappheit (Handies, UMTS lässt grüßen), Trend zu X- Band bzw. Ka-Band (20-30 GHz) - Auch optische Links (Laser) zwischen Satelliten sind schon in Betrieb - Aber: Weltweit am meisten in Benutzung, vor allem während der Startphasen, ist immer noch das S-Band! Page 18

19 Fernsteuerung der Bodenstationen Page 19

20 Die lange Vorbereitung ist zu Ende: Der Start - Nach Jahren der Vorbereitung, unzähligen durchgeackerten Dokumenten, überstandenen Überprüfungen, geschriebenen Prozeduren, nicht enden wollenden Tests und einer aufzehrenden Simulationskampagne ist es soweit: - Das Baby sitzt auf der Rakete, hängt nur noch an einer Nabelschnur am Startturm. Mehrere hundert Tonnen hochexplosiver Treibstoff warten auf das eine Bit des Startcomputers, das die Zündung einleitet Page 20

21 ... 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, Lift-off Page 21

22 Der spannende Moment! - Nach der Startphase die erste Kontaktaufnahme - Satellitensender dürfen in der Regel erst nach der Trennung von der Rakete aktiviert werden - Erste Kontaktaufnahme ist eine kritische Operation. Zu beachtende Fehlermöglichkeiten sind: - die Einschussgenauigkeit der Rakete, wo sieht die Bodenstation den Satellit aufgehen? - die Satellitenlage: Sieht die Sendeantenne die Bodenstation? - ist beim Start alles nominell verlaufen, ist der Satellit im vorgesehenen Betriebszustand? Erfahrung: Die ersten Stunden des Satelliten im Orbit sind am kritischstem! Alles muss auf Anhieb passen, man hat hier keinen 2. Versuch. Bei den meisten verlorenen Missionen ist es in diesem Zeitraum passiert! Page 22

23 Der Startzeittag entscheidet das Freisetzen des Satelliten Beispiel eines Satelliteneinschusses: Je nach Starttag ergibt sich eine andere Position des Trennens von der Rakete Page 23

24 Einschussgenauigkeit der Rakete 0.15 Simulation der möglichen Satellitenposition bei der ersten Bodenstation nach dem Start. Die Positionen ergeben sich unter Berücksichtigung der Einschussgenauigkeit der Trägerrakete. Der 3 db Öffnungswinkel der Antenne der Bodenstation beträgt 0,15! Page 24

25 Automatismus des Satelliten Das Flugkontrollteam überwacht die nach dem Freisetzen automatisch ablaufenden Funktion des Satelliten - Einschalten des Senders, - Umschalten zu der Satellitenantenne, die am Besten die Bodenstation sieht - Ausklappen der Solargeneratoren - Öffnen der Treibstoffventile - Aktivieren der Sensoren (Sonne-, Erd und Sternensensoren) - Ausrichten des Satelliten zur Sonne => Für alle Automatismen hat das Flugkontrollteam eine Prozedur vorbereitet um manuell eingreifen zu können! Page 25

26 Ausklappen der Solargeneratoren und Ausrichtung zur Sonne Page 26

27 Der Weg zum Ziel Der Einschussorbit ist meistens nicht der endgültige Orbit. Das Flug-Kontrollteam bringt ihn auf den richtigen weg. Wo es lang geht, berechnen die Flugdynamiker - Welcher Schub (von einer Steuerdüse oder Triebwerk) wann benötigt wird. Dazu gehört natürlich auch eine vorberechnete Satellitenlage (... sonst geht so was nach hinten los) - Nach jedem Manöver muss der Orbit neu vermessen und berechnet werden - Auf dem Wege zur endgültigen Bahn wird immer die Ausrichtung (Lage) des Satelliten optimiert. Ein sogenanntes Lageprofil wird erstellt und zum Satelliten gesendet - Wichtig ist dabei, dass keine unerwünschte Satellitenlage eintritt, z.b. dass die Sternenkamera in die Sonne schaut. So ein Ereignis kann einen Sensor zerstören. Page 27

28 Der Flugplan Der Flugplan beschreibt alle Operationen die zum Start und der Positionierung nötig sind - Der Plan ist beschreibt exakt den Ablauf der Sequenzen. Es sind dort minutengenau alle Aktivitäten eines jeden Mitgliedes des Flugkontrollteams beschrieben. Alle durchzuführende Prozeduren sind vorgegeben. - In den Jeweiligen Prozeduren stehen exakt alle Kommandos, einschließlich der Parameter, des Timings etc. aufgelistet. - Der Leiter des Teams überwacht die Ausführung, jegliche eventuelle Abweichung von dem Flugplan benötigt die Autorisierung vom Flugdirektor. - Beim Auftreten von Anomalien wird die Situation direkt vom gesamtem Flugkontrollteam analysiert und die Korrektur vorbereitet. Dazu dienen die vorhandenen Notfallprozeduren. - Wenn keine passende Notfallprozedur zur Lösung des Problems vorhanden ist, wird der Satellit in eine sichere Konfiguration kommandiert um Zeit für weitere Analysen zu haben. - Es wird niemals (!!!) was ausprobiert, was nicht vorher am Boden z.b. mit dem Simulator getestet wurde. Page 28

29 Flugbahn und Lage PITCH -Y + X YAW - Z + Z ROLL -X + Y Flight Dynamics, die Experten die genau sagen wann der Satellit wo ist und in welcher räumlichen Lage (wo ist oben, wo ist unten...) er sich befindet: Beispiel der Flug zur Venus Lage: Alle 3 Achsen müssen kontrolliert werden Page 29

30 ... und wenn alles richtig wird, gibt s die Belohnung! Page 30