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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren von Steuerungskommandos für mindestens ein Raumfahrzeug sowie ein entsprechendes System.
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Erfindungsgemäß wird unter einem Raumfahrzeug jegliches Fahrzeug verstanden, das in der Lage ist, sich im Weltraum zu bewegen, bspw. ein Raumschiff, eine Raumkapsel, ein Satellit etc.
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Derartige Raumfahrzeuge erhalten während einer Mission in der Regel Kommandos von einer auf der Erde befindlichen Kommandostation. Hierbei wird üblicherweise ein Missionsplanungssystem verwendet
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Bspw. kann es sich bei dem Raumfahrzeug um einen Satelliten handeln, der die Erde umrundet und Aufnahmen von bestimmten Teilen der Erdoberfläche erstellt. Durch die Kommandos von der Kommandostation kann bspw. bestimmt werden, welcher Teil der Erdoberfläche wann vom Erdbeobachtungssatelliten aufgenommen werden soll. Die gewünschten Aufnahmen können somit beim Missionsplanungssystem durch einen Nutzer bestellt werden. In der Regel besteht für eine Vielzahl von Nutzern die Möglichkeit, verschiedene Aufnahmen von Erdbeobachtungssatelliten zu bestellen.
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Ähnlich funktionieren auch andere Raumfahrzeuge, die eine bestimmte Abfolge von Aktionen durchführen sollen. Bspw. existieren Raumfahrzeuge, in denen bestimmte technische Komponenten getestet werden sollen. Die Steuerung dieser Testprozeduren findet ebenfalls durch ein Planungssystem auf der Erde statt. Weiterhin können Satelliten zur Kommunikation mit verschiedenen Kommunikationspartnern (Bodenstationen, Flugzeuge, Schiffe, andere Raumfahrzeuge) verwendet werden. Hierfür ist es notwendig, eine Planung hinsichtlich der Zeitfenster und der Kommunikationspartner vorzunehmen. Dies muss ebenfalls durch ein Planungssystem geschehen.
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Ziel beim Generieren von Steuerungskommandos für ein Raumfahrzeug ist es, die zur Verfügung stehenden Ressourcen optimal zu nutzen aber das Raumfahrzeug und seine Instrumente innerhalb seiner technischen Spezifikationen nicht zu überlasten und so viele Steuerungswünsche der Nutzer wie möglich zu erfüllen. Als Steuerungswunsch wird die Anfrage eines Nutzers an das Raumfahrzeug verstanden, eine bestimmte Aktion durchzuführen, bspw. eine bestimmte Aufnahme der Erdoberfläche anzufertigen.
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Die Kommandos für das Raumfahrzeug werden in der Regel in einem Kontrollzentrum erstellt und müssen dann rechtzeitig über die zur Verfügung stehenden Bodenstationen, die mit dem Satelliten kommunizieren, an den Satelliten übermittelt werden. Die Übermittlung der Daten kann einige Zeit in Anspruch nehmen und ist unter Umständen nur zu gewissen Zeiten möglich (bspw. zu den Bodenstationskontaktzeiten eines niedrig fliegenden Satelliten).
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Es kann vorkommen, dass der Kontakt einer Bodenstation zum Satelliten abbricht und die entsprechenden Kommandos nicht rechtzeitig übermittelt werden können.
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Die Durchführbarkeit eines bestimmten Projekts durch das Raumfahrzeug, das eine Vielzahl von Aktionen umfasst, kann außerdem durch weitere Faktoren beeinflusst werden:
Bspw. spielen die Steuerungswünsche anderer Nutzer eine Rolle, insofern als dass ein Steuerungswunsch mit einer hohen Priorität dazu führen kann, dass ein Steuerungswunsch mit einer niedrigen Priorität nicht durchgeführt wird. Dies ist nicht nur bei zeitlichen Überschneidungen der Fall, sondern resultiert auch daraus, dass die Steuerungswünsche um Ressourcen wie zum Beispiel die vorhandene elektrische Energie oder den Speicher an Bord des Raumfahrzeugs oder die Kapazitäten zum Versenden der aufgenommenen Daten zu verschiedenen empfangenden Bodenstationen konkurieren. Andere Faktoren, die die Durchführbarkeit und damit die Generierung der Kommandos beeinflussen, sind beispielsweise aktualisierte Informationen über die Flugbahn des Raumfahrzeugs, auszuführende Manöver zur Bahnveränderung, Lageänderungen die zur Regulierung des Energie- und Thermalhaushalts benötigt werden können, oder auch aktualisierte Informationen über zur Verfügung stehende Bodenstationskontakte, sowohl zur Kommandierung des Raumfahrzeugs als auch zum Rücktransport von vom Satelliten gesammelten Informationen. Denkbar sind auch veränderte Wetterbedingungen, die Einfluss auf die Kommunikation zwischen Boden und Raumfahrzeug oder die Qualität durchzuführender Aufnahmen haben können u.v.m. Ein weiterer Einflussfaktor, der in die Planung eingeht, ist die Rückmeldung über Erfolg oder Misserfolg der vorhergehenden Kommandierung und evtl. Telemetriewerte, also Zustandsinformationen, vom Raumfahrzeug, z.B.
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- • Space debris alerts: um eine Kollision mit Weltraumschrott zu vermeiden werden bei Satelliten, die einen Antrieb haben, Ausweichmanöver durchgeführt
- • Bodenstations-(un)verfügbarkeit (z.B. wegen Sturm)
- • kurzfristig anberaumte Wartungsintervalle
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Problematisch in diesem Zusammenhang ist, dass ein Nutzer, der eine bestimmte Aktion bestellt hat, erst mit einem zeitlichen Versatz, möglicherweise erst nach mehreren Stunden oder sogar Tagen, erfährt, dass die gewünschte Aktion nicht durchgeführt werden kann. Die Information darüber, ob eine gewünschte Aktion durchgeführt werden kann oder nicht, steht bei aus dem Stand der Technik bekannten Missionsplanungssystemen erst dann zur Verfügung, wenn basierend auf sämtlichen gesammelten Steuerungswünschen aller Nutzer und aller anderen Einfluss nehmenden Faktoren die Kommandierung generiert wurde und diese an das Raumfahrzeug gesendet wurde. Da das Zeitintervall, in dem mit dem Raumfahrzeug kommuniziert werden kann, zeitlich begrenzt und im Vorhinein vorgegeben ist, kann es vorkommen, dass die Kommandierung erst mehrere Stunden nach Eingang eines Steuerungswunsches eines Nutzers vorbereitet wird, sodass es nicht möglich ist, dem Nutzer vorher ein Feedback über die Durchführbarkeit seines Steuerungswunsches zukommen zu lassen.
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In 1 wird das aus dem Stand der Technik bekannte TerraSAR-X/TanDEM-X Planungssystem kurz beschrieben. Der Nutzer übergibt seine Eingabe dem System und wartet auf einen späteren Planungslauf / die Planungsläufe, deren Planungshorizont die erwartete Ausführungszeit der bestellten Aufgabe umfasst. Wenn dieser beendet ist, bekommt er das Ergebnis der Neuplanung mitgeteilt. Für eine Reaktion vor der folgenden Kommandierungsmöglichkeit ist es hier jedoch im Allgemeinen zu spät, da bereits die Kommandos erstellt wurden.
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Informationen zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
Maurer E., Mrowka F., Braun A., Geyer M. P., Lenzen C., Wasser Y., Wickler M., "TerraSAR-X Mission Planning System: Automated Command Generation for Spacecraft Operations", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 48, No. 2, 2010, pp. 642–648 Geyer M. P., Mrowka F., Lenzen C., "TerraSAR-X/TanDEM-X Mission Planning Handling Satellites in Close Formation", AIAA Space Ops 2010 -
Die Nachteile des Standes der Technik können somit wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Der aktuelle, für den Nutzer sichtbare Plan bezieht sich auf veraltete Informationen, nämlich jene, die beim letzten Planungslauf aktuell waren.
- 2. Die Konsequenzen eintreffender Informationen bspw. neue Planungswünsche, aktualisierte Randbedingungen wie Bodenstationsverfügbarkeit werden erst nach der darauffolgenden Planung sichtbar.
- 3. Der Nutzer kennt die genauen Auswirkungen seiner Eingabe erst nachdem das Planungssystem die Änderung vorgenommen hat. Unerwünschte Nebeneffekte (z.B. das Verwerfen anderer Aufgaben) kann er so schwer vermeiden.
- 4. Der Nutzer muss auf die Rückmeldung des Planungssystems warten, bis er weiß, ob die Aufgabe eingeplant werden kann. Erst danach kann er sich über eine alternative Aufgabe Gedanken machen.
- 5. Der letzte Zeitpunkt, zu dem eine neue, zu berücksichtigende Information (neuer Planungswunsch, aktualisierte Randbedingung) in das System eingegeben werden kann, muss deutlich vor der entsprechenden Kommandierungsmöglichkeit liegen, da der vor Kommandierung durchzuführende Planungslauf alle bis dahin aufgelaufenen Änderungen verarbeiten muss.
- 6. Das System erkennt aktualisierte Planungsinformationen erst zum Zeitpunkt der Planung. Insbesondere kann der nächste Planungszeitpunkt nicht vorverlegt werden, da bis zu diesem Zeitpunkt das System ruht. Dementsprechend müssen die äußeren Umstände, die den Planungsrhythmus bestimmen, mindestens bis zum Zeitpunkt der folgenden Planung unveränderlich bleiben. Beispiel: um 1 Uhr findet ein Planungslauf statt. Zu diesem Zeitpunkt ist die darauffolgende Kommandierungsmöglichkeit um 6 Uhr gegeben. Nach dem Planungslauf ruht das System bis 12 Uhr, um rechtzeitig für eine Kommandierungsmöglichkeit um 17 Uhr einen weiteren Planungslauf anstoßen zu können. Meldet sich um 10 Uhr eine zusätzliche Bodenstation für 13 Uhr verfügbar, so kann dieses System den Planungslauf um 10 Uhr nicht selbst anstoßen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum Generieren von Steuerungskommandos für ein Raumfahrzeug bereitzustellen, das eine effizientere Nutzung von Ressourcen erlaubt und flexibler auf Steuerungswünsche der Nutzer reagieren kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Generieren von Steuerungskommandos für mindestens ein Raumfahrzeug, insbesondere in einem Missionsplanungssystem. Unter Steuerungskommandos wird jegliches Kommando verstanden, dass das Durchführen einer oder mehrerer bestimmter Aktionen im oder am Raumfahrzeug betrifft. Bei einer Aktion kann es sich bspw. um das Erstellen einer Aufnahme, um das Testen einer bestimmten Vorrichtung, die Durchführung einer Kommunikation etc. handeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ferner das Übermitteln der Steuerungskommandos an das Raumfahrzeug und umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Steuerungswünsche zur Durchführung verschiedener Aktionen durch das Raumfahrzeug werden durch mindestens einen Nutzer eingegeben. Dieser befindet sich vorzugsweise auf der Erde. Als Nutzer wird eine Person oder Institution verstanden, die das Raumfahrzeug mit der Durchführung einer bestimmten Aktion beauftragen möchte.
- b) Basierend auf den von sämtlichen Nutzern eingegebenen Steuerungswünschen wird ein Modell des durch das Raumfahrzeug durchzuführenden Projekts erstellt. Dies erfolgt durch einen Hauptprozessor. Nach jeder Einplanung eines neuen Steuerungswunsches in das durch das Raumfahrzeug durchzuführende Projekt durch den Hauptprozessor wird erfindungsgemäß ein aktualisiertes Modell dieses Projekts erstellt. Nach jeder Einplanung eines neuen Steuerungswunsches steht somit ein aktualisiertes Projektmodell zur Verfügung.
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Im Unterschied zum Stand der Technik werden somit Steuerungswünsche der Nutzer nicht gesammelt und bis zur Planung und Kommandogenerierung vor der nächsten Kommandoübermittlung an das Raumfahrzeug gespeichert. Vielmehr werden eingehende neue Steuerungswünsche sofort berücksichtigt, indem sie, sofern sie durchführbar sind, in das durchzuführende Projekt eingeplant werden, wonach ein aktualisiertes Modell des Projekts erstellt wird. Gehen anschließend neue Steuerungswünsche oder andere aktualisierte Randbedingungen ein, so werden diese in das jeweils aktuelle Projektmodell eingepflegt. Im Stand der Technik wurden diese neuen Steuerungswünsche bis zum nächsten Planungsverlauf nur abgespeichert und nicht weiter verarbeitet.
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Da jederzeit ein aktuelles Projektmodell zur Verfügung steht, kann einem beauftragenden Nutzer sehr schnell zurückgemeldet werden, ob ein von ihm angefragter Steuerungswunsch mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen realisierbar ist oder nicht.
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Weiterhin ist es möglich, den letzten Zeitpunkt, zu dem ein neuer zu berücksichtigender Steuerungswunsch oder eine aktualisierte Randbedingung, die die Durchführbarkeit des Projekts beeinflussen kann, in das System eingegeben werden kann, weiter nach hinten zu verschieben. Im Stand der Technik muss dieser Zeitpunkt deutlich vor der entsprechenden Kommandierungsmöglichkeit liegen, da der vor der Kommandierung durchzuführende Planungslauf alle bis dahin aufgelaufenen Änderungen verarbeiten muss. Im Gegensatz dazu, erfolgt dies erfindungsgemäß nach und nach, sobald diese Änderungswünsche eintreten. Kurz vor der entsprechenden Kommandierungsmöglichkeit wird erfindungsgemäß basierend auf der aktuellen Version des Projektmodells eine oder mehrere (es können mehrere Raumfahrzeuge sein, die bedient werden, oder es können aufeinander aufbauende oder auch alternative Teilsequenzen sein) Kommandosequenzen erzeugt, die dann zum festgesetzten Zeitpunkt an das Raumfahrzeug übermittelt wird.
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Die Vorteile des erfindungsmäßen Verfahrens können wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Es steht zu jedem Zeitpunkt eine aktualisierte Planung anhand der aktuellen Informationen zur Verfügung.
- 2. Jede Eingabe wird schnellstmöglich prozessiert und das Ergebnis wird dem Nutzer unverzüglich mitgeteilt. Dies betrifft sowohl Eingaben des Nutzers selbst als auch solche aus anderen Teilen des Bodensegments, bspw. neue Informationen über veränderte Randbedingungen, die die Durchführung des Projekts beeinflussen können. In diesem Fall werden dem Nutzer ebenfalls unverzüglich die für seine vorherigen Eingaben daraus resultierenden Veränderungen, sofern es solche gibt, mitgeteilt.
- 3. Der Nutzer kann über die Folgen seiner Steuerungswünsche im Vorhinein informiert werden und in die Lage versetzt zwischen verschiedenen möglichen Reaktionen des Systems zu wählen. Interessant ist dies insbesondere, wenn eine Aufgabe nur auf Kosten anderer bereits eingeplanter Aufgaben möglich ist. Das Ausplanen bereits geplanter Aufgaben wäre dann eine mögliche Konsequenz, die das System dem Nutzer anbieten kann.
- 4. Der Nutzer kann sich verschiedene Alternativen berechnen lassen, selbst die bevorzugte Alternative (Aufgabe und gewählte Konsequenzen) auswählen und dem Planungssystem übergeben. Der Nutzer kann, falls er die Rückmeldung bekommt, dass sein Steuerungswunsch auf Grund konkurrierender höherprioritärer Steuerungswünsche nicht eingeplant werden kann, darauf reagieren, indem er bspw. die eigene Priorität erhöht /erhöhen lässt oder, falls eine veränderbare Randbedingung der Grund für die Nichteinplanung ist, (der ja bei entsprechender Konfiguration mit zurückgemeldet wird /werden kann,) dass diese Randbedingung verändert wird, z.B. Nachbestellung eines zusätzlichen Bodenstationskontakts zum Versenden von aufgenommenen Daten vom Satelliten zum Boden.
- 5. Der letzte Zeitpunkt, zu dem neue Aufgaben ins System eingegeben werden können, kann kurz vor der Kommandierungsmöglichkeit liegen, da nur die Änderungen dieser neuen Aufgabe einzuarbeiten sind und kein zeitlicher Puffer zur Sicherstellung, dass der Planungslauf rechtzeitig abgeschlossen ist, zu berücksichtigen ist: Wenn die Berechnung der Änderungen für diese Aufgabe zu lange dauern würde, kann diese abgebrochen werden, ohne die Kommandierung als Ganzes zu gefährden.
- 6. Das System kann seine zeitlichen Abfolgen dynamisch an die äußeren Umstände anpassen. So ist es z.B. möglich, dass sich eine zusätzliche Bodenstation zur Kommandierung kurzfristig verfügbar meldet und hierfür eine Kommandierung eingeplant wird, was in einem klassischen System nicht möglich ist, da das System bis zur darauffolgenden Passage schläft.
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Es ist bevorzugt, dass vor Einplanung eines neuen Steuerungswunsches in das durch das Raumfahrzeug durchzuführende Projekt durch eine parallel laufende Planungskomponente überprüft wird, ob dieser Steuerungswunsch mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen und mit den geltenden Planungsregeln/-vorschriften realisierbar ist. Es ist bevorzugt, dass mehrere Instanzen dieser Testplanungskomponente existieren. Weiterhin ist bevorzugt, dass die parallele Planungskomponente immer mit dem aktuellen Projektmodell des Hauptprozessors arbeitet, um die folgenden genannten Aufgaben bestmöglich erfüllen zu können, d.h. um Antworten/Ergebnisse mit bestmöglicher Zuverlässigkeit liefern zu können.
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Bei einer Nicht-Realisierbarkeit eines Steuerungswunsches ist es bevorzugt, dass die parallele Planungskomponente Lösungen berechnet, wie dieser Wunsch durch Verwerfen bereits eingeplanter Steuerungswünsche doch realisiert werden kann. Diese Lösungen können dem Nutzer, der den nicht-realisierbaren Steuerungswunsch eingegeben hat, zur Entscheidung vorgelegt werden. Dieser kann somit die Konsequenzen aus einem Steuerungswunsch unmittelbar selbst bestimmen und muss nicht nach Erzeugung des nächsten Plans und der zugehörigen Steuerungskommandos mit überraschenden Konsequenzen rechnen. Eine überraschende Konsequenz, die im Stand der Technik eintreten kann, wäre z.B., dass ein anderer Steuerungswunsch desselben Nutzers oder eines anderen Nutzers aufgrund des neuen Steuerungswunsches nicht durchgeführt wird, was der bestellende Nutzer erst nach Übermittlung der Kommandosequenz an das Raumfahrzeug erfahren würde.
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Alternativ ist es möglich, dass die parallele Planungskomponente nach einem ihm bekannten Entscheidungskriterium selber entscheidet, ob und wenn welche Lösung gewählt wird, um einen nicht-realisierbaren Steuerungswunsch eines Nutzers doch zu realisieren. Bspw. können hierfür Steuerungswünsche mit einer niedrigeren Priorität aus dem aktuellen Projekt entfernt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass alle Steuerungswünsche sowie neu eingehende Informationen über die Verfügbarkeit von Ressourcen und andere neu eingehende Informationen, die das durchzuführende Projekt beeinflussen können, durch einen Inputmanager nach ihrer Priorität sortiert werden und anschließend unverzüglich aber nacheinander an den Hauptprozessor weitergeleitet werden. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Hauptprozessor Informationen nur sequenziell verarbeiten kann und muss, um ein konsistenten Zustand des Projektmodells zu gewährleisten. Es wird ferner sichergestellt, dass der Hauptprozessor die Informationen in der Reihenfolge ihrer Priorität abarbeitet, sodass die wichtigsten Informationen zuerst abgearbeitet werden. Dennoch kann sichergestellt werden, dass keine Information über einen längeren Zeitraum bspw. bis zur Erstellung der nächsten Kommandosequenz gespeichert und somit nicht bearbeitet wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Erstellen eines Projektmodells durch den Hauptprozessor von dem Input-Manager unterbrochen werden kann, wenn ein Steuerungswunsch mit hoher Priorität oder eine andere Information mit hoher Priorität eingeht, sodass diese Information mit hoher Priorität ohne Verzögerung vom Hauptprozessor bearbeitet werden kann (bspw. die Meldung dass jetzt die nächste Kommandierung vorbereitet werden muss).
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Weiterhin ist es möglich, das Erstellen eines Projektmodells durch den Hauptprozessor zu unterbrechen, wenn die Berechnung der Änderungen des Projektmodells aufgrund neuer Steuerungswünsche zu lange dauern würde und nicht vor dem Zeitpunkt der nächsten fälligen Übermittlung der Kommandosequenz an das Raumfahrzeug abgeschlossen werden kann. In diesem Fall kann das Aktualisieren des Projektmodells abgebrochen werden, ohne die Kommandierung als Ganzes zu gefährden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Hauptprozessor nach jedem Aktualisieren des Projektmodells diese aktuelle Version des Projektmodells an einen Modell-Verteiler übermittelt, wobei jede Komponente des Missionsplanungssystems, die das aktuelle Projektmodell benötigt, sich beim Modell-Verteiler anmelden kann und zunächst die aktuelle Version des Projektmodells erhält und anschließend bei jeder Änderung des Projektmodells durch den Hauptprozessor das jeweils aktuelle Projektmodell.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein aktualisiertes Projektmodell auch dann erstellt wird, wenn eine neue Information über die Verfügbarkeit von Ressourcen oder eine andere Information, die die Durchführbarkeit des Projekts beeinflussen kann, eingeht. Somit kann sichergestellt werden, dass auch andere Einflussfaktoren außer den Steuerungswünschen der Nutzer stets zeitnah in die Projektplanung eingehen. Bspw. kann sich eine Bodenstation unerwarteterweise verfügbar melden, sodass es möglich ist, zu einem bisher nicht geplanten Zeitpunkt eine Kommandosequenz an das Raumfahrzeug zu übermitteln. Diese neue Information über die Verfügbarkeit von Ressourcen (in diesem Fall einer neuen Bodenstation) wird im erfindungsgemäßen Verfahren dazu verwendet, das Projektmodell zu aktualisieren und zum Zeitpunkt der Verfügbarkeit der neuen Bodenstation eine Kommandosequenz von dieser Bodenstation an das Raumfahrzeug zu übermitteln. Im Stand der Technik wäre so eine Reaktion nicht möglich gewesen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein System, insbesondere ein Missionsplanungssystem zum Generieren von Steuerungskommandos für ein Raumfahrzeug und zum Übermitteln dieser Steuerungskommandos an das Raumfahrzeug. Das System kann sämtliche Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweisen und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße System weist die folgenden Komponenten auf:
Es ist eine Eingabevorrichtung vorgesehen zum Eingeben von Steuerungswünschen zur Durchführung verschiedener Aktionen durch das Raumfahrzeug. Die Eingabe der Steuerungswünsche erfolgt hierbei durch mindestens einen insbesondere auf der Erde befindlichen Nutzer. Weiterhin kann die Eingabevorrichtung dazu verwendet werden, testweise Steuerungswünsche einzugeben, um deren Durchführbarkeit durch die parallelle Planungskomponente prüfen zu lassen.
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Weiterhin ist ein Hauptprozessor vorgesehen zum Erstellen eines Modells des durch das Raumfahrzeug durchzuführenden Projekts basierend auf den von sämtlichen Nutzern eingegebenen Steuerungswünschen sowie ggf. weiteren Informationen über die Verfügbarkeit von Ressourcen und andere Randbedingungen. Der Hauptprozessor ist hierbei derart ausgebildet, dass nach jeder Einplanung eines neuen Steuerungswunsches in das durch das Raumfahrzeug durchzuführende Projekt durch den Hauptprozessor ein Erstellen eines aktualisierten Modells dieses Projekts erfolgt.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1a–e eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens,
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2a–f eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 und 4 beispielhafte Darstellungen der Funktion der erfindungsgemäßen parallelen Planungskomponente,
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5 eine Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
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1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
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2 stellt eine Ausführungsform des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Zunächst wird eine Planungsanfrage von einem Nutzer 10 übermittelt. Diese kann von einer parallelen Planungskomponente 14 auf Konflikte mit bisher geplanten Aufgaben überprüft werden. Sofern Konflikte vorliegen, werden dem Nutzer 10 eine oder mehrere Lösungen angeboten. Der Nutzer kann daraufhin seine Planungsanfrage anpassen. Diese wird sodann an den Hauptprozessor 12 übermittelt. Dieser plant daraufhin die Planungsanfrage des Nutzers 10 in das aktuelle Projekt ein und erstellt eine aktualisierte Version des Projektplans. Diese wird an alle Beteiligten verteilt ("Update"). Vom Kontrollzentrum 16 erhält der Hauptprozessor 12 weitere Informationen über den Betrieb, bspw. über die Verfügbarkeit von Ressourcen etc. Ein Steuerungswunsch eines Nutzers kann auch ohne vorherige Prüfung durch die parallele Planungskomponente an den Hauptprozessor weitergeleitet werden. Eine solche Anfrage wird dann bspw. nur dahingehend überprüft, ob die enthaltenen Bestellparameter und deren Werte den Spezifikationen entsprechen.
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Der Timer 18 signalisiert den Zeitpunkt, zu dem die Kommandosequenz an das Raumfahrzeug übermittelt werden muss. Konkreter wird der Timer 18 in der Regel mehrere Zeitpunkte signalisieren. Wichtig ist der Zeitpunkt, ab dem eine Kommandierung vorbereitet werden muss. Zu diesem Zeitpunkt werden die Kommandosequenzen aus dem aktuellen Zustand des Modells erzeugt. Der Timer kann somit signalisieren, dass noch x Minuten bis zur Übermittlung der Kommandosequenzen zum Kommandierungssystem verbleiben, sodass jetzt die Kommandoerzeugung unmittelbar starten sollte. Die erstellte Kommandosequenz wird somit zu dem festgesetzten Zeitpunkt über die Bodenstationen 20a, 20b an das Raumfahrzeug übermittelt. Sofern die Übermittlung nicht erfolgreich ist, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
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In den 3 und 4 sind zwei mögliche Alternativen für die Funktion der parallelen Planungskomponente 14 dargestellt. Gemäß 3 übermittelt der Nutzer 10 eine erste und eine zweite Alternative zu einem Steuerungswunsch an das System. Das System kann mehrere Testplanungssysteme 14a, 14b, nämlich parallele Planungskomponente umfassen. An diese wird jeweils eine Alternative übermittelt. Bei der Nutzerschnittstelle 22 handelt es sich um eine Eingabevorrichtung zum Eingeben der Steuerungswünsche durch den Nutzer 10. Die erste und zweite Testplanungskomponente melden mögliche Konsequenzen der Anfragen des Nutzers an die Nutzerschnittstelle 22 zurück. Diese werden wiederum dem Nutzer mitgeteilt. Dieser wählt die gewünschte Alternative 1 oder 2 und akzeptiert die Konsequenz, die sich aus seiner Wahl ergibt. Die gewählte Alternative und die daraus resultierende Konsequenz wird sodann an das Hauptplanungssystem, nämlich den Hauptprozessor 12 übergeben.
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4 entspricht im Wesentlichen der 3, wobei eine automatische Regel die beste Alternative und Konsequenz wählt, welche dann an das Hauptplanungssystem 12 übergeben wird. Eine Rückfrage beim Nutzer wie in 3 erfolgt in 4 nicht.
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In 5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems dargestellt. Der obere Block kennzeichnet hierbei die Kommunikation mit dem Nutzer 10. Dieser gibt über ein Bestelltool seine Steuerungswünsche in die Eingabevorrichtung 22 ein. Die Eingabe wird hierbei auf Konsistenz überprüft.
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Die Eingabevorrichtung 22 übermittelt die Steuerungswünsche des Nutzers 10 an den Input-Manager 24. Um zu vermeiden, dass niederprioritäre aber rechenintensive Eingaben andere Steuerungswünsche blockieren, werden alle eintreffenden Informationen (neue Planungswünsche, aktualisierte Randbedingungen, wie Bodenstationsverfügbarkeit etc.) durch den Input-Manager 24 aufgenommen und entsprechend ihrer Priorität unverzüglich aber nacheinander dem Hauptprozessor 12 zugeführt. Bei Bedarf kann der Input-Manager 24 die aktuelle Berechnung des Hauptprozessors 12 unterbrechen, um höherpriorisierten Informationen den Vorzug zu gewähren, sodass diese ohne Verzögerung verarbeitet werden können.
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Optional können neue Steuerungswünsche vorab durch eine oder mehrere parallele Planungskomponente 14 auf ihre Realisierbarkeit überprüft werden. Hierzu wird geprüft, ob diese Wünsche mit den verfügbaren Ressourcen realisiert werden können. Wenn die Planung nach aktuellem Stand nicht konfliktfrei möglich ist, berechnet die parallele Planungskomponente 14 Lösungen, wie der aktuelle Wunsch durch Verwerfen bereits geplanter Aktivitäten doch noch eingeplant werden kann. Durch die Nutzerschnittstelle 22 können diese Informationen dem Nutzer 10 zur Verfügung gestellt werden, sodass dieser die von ihm präferierte Lösung wählen kann. Alternativ kann das System durch ein bekanntes Entscheidungskriterium selbst die passende Lösung bestimmen und an den Input-Manger 24 weiterleiten. Erst dann würde in dieser Ausführungsform der neue Steuerungswunsch zusammen mit der präferierten Lösung/ den präferierten Konsequenzen an den Hauptprozessor 12 weitergeleitet.
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Das erfindungsgemäße System umfasst ferner einen Modell-Verteiler. Sobald eine Änderung vom Hauptprozessor 12 eingeplant wurde, wird von diesem ein aktualisiertes Modell des Projekts erstellt und an diesen Modell-Verteiler 26 weitergeleitet. Eine Komponente, die dieses aktuelle Modell benötigt (wie z.B. jede parallele Planungskomponente 14a, 14b) kann sich beim Modell-Verteiler 26 anmelden und bekommt dann erst das aktuelle Projektmodell und danach bei jeder Änderung des Projekts eine Kopie der Änderungen, d.h. das jeweils aktualisierte Projektmodell. Hierdurch kann jede Komponente des Systems auf den aktuellen Stand des Hauptprozessors 12 gehalten werden. Das System sieht ferner einen Timer 28 vor, der dafür sorgt, dass zur richtigen Zeit spezielle Aktivitäten ausgeführt werden. Bspw. kann er zu gegebener Zeit signalisieren, dass Kommandos in Kürze exportiert werden müssen. Dieser Vorlaufzeitraum soll möglichst klein sein. Wie bereits dargestellt, wird zu diesem Zeitpunkt die Kommandosequenz aus der aktuellsten Version des Projektmodells erzeugt. Sobald diese erzeugt ist, wird sie sofort an das Kommandierungssystem übermittelt. Dieses wartet dann den Start der Kommandierungsmöglichkeit, nämlich die Kontaktherstellung zwischen der Bodenstation und dem Raumfahrzeug ab. Es ist bevorzugt, dass dieses Kommandierungssystem eine vom Missionsplanungssystem getrennte Komponente ist.
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Über den Modell-Verteiler 26 wird der Timer 28 über Änderungen informiert und kann somit seine Liste der Ereignisse, die er signalisieren muss, dynamisch an das aktuelle Modell des Projekts anpassen. Meldet sich bspw. eine zusätzliche Bodenstation kurzfristig verfügbar, so erzeugt der Timer 28 für den neu entstandenen Kontakt rechtzeitig ein Signal zur Erzeugung und Übermittlung der Kommandosequenz, sodass die neu hinzugekommene Bodenstation für eine Übertragung aktueller Planungsergebnisse zum Raumfahrzeug verwendet werden kann.
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Die Datenbank 30 wird mit dem aktuellen Status des Projektmodells synchronisiert, für den Fall, dass ein Neustart des Systems notwendig ist.
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Das System kann ferner einen Timeline-Manager 32 umfassen. Dieser bereitet verschiedene Kommandierungsszenarien (z.B. für den Fall eines Ausfalls der Kommandierung an einer Bodenstation) zur Kommandierung vor. Er wird vom Hauptprozessor 12 angestoßen. Die Funktion des Timeline-Managers wird in einer separaten Patentanmeldung beschrieben.
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Es kann ferner ein Kommandoerzeuger 34 vorgesehen sein, der die auf der zu kommandierenden Einheit vorhandenen Kommandos mit denen des zu kommandierenden Plans vergleicht und daraus die Kommandosequenzen erzeugt.
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Weiterhin kann ein Kommandointerface 36 vorgesehen sein, um in Echtzeit die passenden Kommandodaten anzuwenden. Die Funktionsweise des Kommandointerface 36 ist ebenfalls in der genannten separaten Patentanmeldung beschrieben.
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Es kann ferner ein Betriebsfeedback 38 vorgesehen sein. Hier können manuell oder automatisiert Informationen über die Vergangenheit oder Zukunft des Systems eingegeben werden, z.B. geplante Wartungsphase oder erfolgreiche oder nicht erfolgreiche Kommandierungen.
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Weiterhin kann ein Statusfeedback 40 erfolgen:
Durch die sofortige Berücksichtigung neuer Eingaben kann der Nutzer 10 über diese Komponente im Zusammenspiel mit dem Modell-Verteiler 26 sofort über Neuerungen im Status seiner Eingaben informiert werden.
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Damit verschiedene Nutzer nicht aufeinander warten müssen, können mehrere Testplanungssysteme 14 parallel zur Verfügung gestellt werden. Der Hauptprozessor 12 dagegen existiert nur einmal und arbeitet die Eingaben sequenziell ab. Dadurch erlangt der Hauptprozessor als kritische Komponente einen vergleichsweise einfachen Aufbau. Dies hat allerdings zur Folge, dass bei paralleler Eingabe von Anfragen zusammen mit jeweils vorausgewählten präferierten Konfliktlösungen/ vorausgewählter Konsequenz eine geringe Gefahr besteht, dass der Hauptprozessor ein übergebenes (Aufgabe, Konsequenz)-Paar nicht einplanen kann. In diesem Fall müsste der Nutzer nach entsprechender Rückmeldung durch das System eine neue Eingabe tätigen.
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Da neben der Eingabe der Aufgaben auch andere Eingaben im Hauptprozessor berücksichtigt werden müssen, deren Einplanung recht zeitaufwändig sein kann, ist diese Form der Parallelisierung in jedem Fall sinnvoll, um Eingaben und Testanfragen der Nutzer während dieser Zeit nicht zu blockieren. Auch entlastet die Vorabprüfung den Hauptprozessor 12, da nur erfolgversprechende Eingaben getätigt werden und die rechenintensive Bestimmung möglicher Alternativen komplett ausgelagert wird. Somit erhöht sich die Gesamt-Performance des Systems.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen von Satelliten- oder anderen Raumfahrtmissionen verwendet werden. Andere Anwendungen, in denen eine zentrale Planung erstellt wird, auf Basis von sich ändernden Informationen, die anschließend an andere Systeme kommuniziert wird, sind ebenfalls im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Maurer E., Mrowka F., Braun A., Geyer M. P., Lenzen C., Wasser Y., Wickler M., “TerraSAR-X Mission Planning System: Automated Command Generation for Spacecraft Operations”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 48, No. 2, 2010, pp. 642–648 [0012]
- Geyer M. P., Mrowka F., Lenzen C., “TerraSAR-X/TanDEM-X Mission Planning Handling Satellites in Close Formation”, AIAA Space Ops 2010 [0012]
