DE4207826C2 - Bahn- und Lageregelungssystem (AOCS) mit Prüfsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bahn- und Lageregelungssystem (Attitude and Orbit Control System AOCS) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

AOC-Systeme sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift Seidensticker, K. "DFS Kopernikus - Ein Jahr im Orbit" in der Zeitschrift f. Flugwissenschaften und Weltraumforschung, 1991, S. 1-11. Diese sind jedoch für jeden Einzelfall gesondert konzipiert und aus bekannten und bereits im Handel erhältlichen elektronischen, mechanischen und optischen Modulen usw. zusammengesetzt. Dies führt dazu, daß bei solchen Systemen eine große Anzahl von Geräteschnittstellenarten erforderlich bzw. gegeben sind. Hinzu kommt bei allen bisherigen Systemen des Standes der Technik ein überproportional hoher Aufwand an Hardware-Interfaces, was zu einer wesentlichen Erhöhung von Gewicht und Kosten sowie zur Minderung der Gesamtzuverlässigkeit führt, aber auch zu hohen Verlustleistungen.

Das bekannte "Modular Attitude and Orbit Control System" - MACOS - versucht externe Schnittstellenprobleme durch Verwendung von Bussen zu beherrschen, jedoch hat jeder der eingesetzten Prozessorbusse eine begrenzte Kommunika­ tionsbandbreite und reduziert dadurch seine Echtzeitfähigkeit mit steigen­ der intelligenter Teilnehmerzahl.

Das derzeit bei EUTELSAT eingesetzte Attitude and Orbit Control System - AOCS - weist eine AOCE (Attitude and Orbit Control Electronic) auf, die durch einen Mikroprozessor gesteuert wird, während die Peripheriegeräte meistens keine Mikroprozessoren aufweisen. Die Interfaces zwischen den Ge­ räten sind nicht standardisiert (45 verschiedenen Arten). Die Nachteile - wie beispielsweise hoher Aufwand für Hardware-Interfaces bei allen Geräten - wie beispielsweise Sonnensensoren, Erdsensoren, Gyrosystemen, Düsenan­ steuerungen, Drallräder, TC/TM-Einrichtungen usw., um nur einige zu nennen - bewirken hohe Produktionskosten. Hinzu kommt ein ganz wesentlicher Um­ stand, nämlich, daß die Prozessorleistung der bisher verwendeten Prozesso­ ren nicht expandierbar ist. Weitere Nachteile des Standes der Technik sind darin zu sehen, daß sie mit hohen Verlustleistungen und einem hohen Gesamtgewicht versehen sind. Weiterhin ist bei den Ausführungen nach dem Stand der Technik ein hoher Aufwand an unterschiedlichsten Test- und Prüf­ anlagen für die AOCE, die Checkoutsysteme im Satelliten, sowie an den An­ lagen zur Durchführung dynamischer Tests mit echten oder simulierten Sen­ soren bzw. Aktuatoren etc. gegeben.

Des weiteren liegt die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Prüfsystem aufzuzeigen, das höchstmögliche Standardisierung und Universalität (unter Einbeziehung einer bestehenden IV-Struktur) bei geringstem Aufwand gewähr­ leistet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein AOCS der ein­ gangs genannten Art aufzuzeigen, das eine wesentliche Gewichts- und Ver­ lustleistungsreduzierung, eine Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässig­ keit, eine Reduzierung der Bauteilevielfalt, sowie eine höhere Flexibili­ tät gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläu­ tert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen die Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des vorgeschlage­ nen AOCS mit dem angeschlossenen Prüfsystem;

Fig. 2 ein Schemabild einer AOCE mit doppelter Heißredundanz;

Fig. 3 eine AOCE-Struktur mit ein bis drei AOCEs;

Fig. 4a AOCE mit µP/exp-Feld;

Fig. 4b AOCE mit µP/exp und Link-Multiplexer;

Fig. 5 AOCE mit quasi-neuronalem Netzwerk;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer AOCE-Prüfanlage in schematischer Dar­ stellung.

Um die gestellte Aufgabe lösen zu können, ist im einzelnen vorgesehen, daß eine Standardschnittstelle zwischen AOCE und allen Peripheriegeräten sowie zwischen AOCE und dem TC/TM-System geschaffen wird. Weiterhin wird durch diese funktionsbezogene Punkt-zu-Punkt-Kommunikation gewährleistet, daß keine Begrenzung der Kommunikationsbandbreite eintritt, wie dies z. B. bei der Kommunikation über einen Bus eintreten kann. Weiterhin darf keine Be­ grenzung der Rechenleistung gegeben sein. Dies wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von Mikroprozessoren mit expandierbaren Rechenleistungen (µP/exp), z. B. mit Transputern, ermöglicht. Weiterhin wird vorgeschla­ gen, die Rechenleistung zu dezentralisieren und eine Datenverarbeitung vor Ort, d. h. in der Peripherie, sicherzustellen. Weiterhin werden alle Funk­ tionen, wie Regler, Modulatoren usw., in µP/exp′s realisiert.

Ein weiterer wesentlicher Fortschritt durch die hier vorgeschlagenen Maß­ nahmen ist dadurch gegeben, daß die Testbarkeit der AOCE und des AOCS in allen Phasen und unter Einschluß von Sensorik und Aktuatorik mit Standard­ testgeräten gegeben ist und die Prüfanlage als integraler Bestandteil des IV-Netzes konzipiert ist.

In der Fig. 1 ist das nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiel eines AOCS mit Prüfsystem skizziert. Das Kernstück zur Realiserung bildet der vorgeschlagene expandierbare Mikroprozessor, der nachfolgend als µP/exp bezeichnet wird. Er ist als RICS-Maschine mit in Hardware implementiertem Betriebssystemkern ausgebildet und prozeßorientiert programmiert. Die Datenverarbeitung erfolgt über CPU (Central Processing Unit), der Daten­ transfer über DMA (Direct Memory Access). Wesentlich ist ferner, daß die Kommunikation zwischen zwei µP/exp nicht über einen Bus erfolgt, denn ein solcher hat nur eine begrenzte Kommunikationsbreite und reduziert seine Echtzeitfähigkeit mit steigender Zahl intelligenter Teilnehmer. Die Kommunikation erfolgt beim µP/exp über serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung, d. h. direkt von Gerät zu Gerät, auch Link bezeichnet. Da nun jeder µP/exp mehrere Links aufweist und ei­ nen eigenen RAM besitzt, ist die Rechenleistung und die Kommunikationslei­ stung nahezu unbegrenzt. Die Leistung der AOCS kann also jederzeit expan­ diert werden.

Die Standardschnittstellen werden wie bisher funktional angebunden, so daß ein Bus nicht erforderlich ist. Alle Daten werden mittels Standardproto­ koll seriell übertragen. Weiterhin ist eine Potentialtrennung der Daten­ leitungen vorgesehen. Es findet also keine Potentialtrennung der Versor­ gung - wie bisher - statt. Dadurch sind die aufwendigen Konverter durch einfache Regler ersetzbar, was zu einer Minimierung des Aufwandes und zu einer Maximierung der Zuverlässigkeit führt, wobei gleichzeitig die EMV- Probleme zu nahe Null sinken.

Das vorbeschriebene AOC-System ist einschließlich der gesamten Sensorik bis zu allen Betätigungsgliedern - auch an der Startrampe - voll und un­ eingeschränkt testbar. Die Datenverarbeitung vor Ort ist schon angespro­ chen worden und ebenfalls die Einbindung der Prüfanlagen und Prüflinge in das IV-Netz.

Die innere Struktur eines AOCS, einer AOCE oder der Peripheriegeräte wird durch die Rechenleistung und die Zuverlässigkeit bestimmt. Mittels µP/exp′s, welche schließlich mehrere Links besitzen, sind beliebige Topologien realisierbar, die bekannt sind und hier nicht erwähnt werden müssen.

In Fig. 2 ist skizziert, wie die Zuverlässigkeit mittels doppelter Heißre­ dundanz stark erhöht werden kann. Normalerweise können aber Software-Feh­ ler, da sie ja identisch in allen Geräten vorliegen, nicht eliminiert wer­ den. In der gezeigten Struktur kann auch die Software echt redundant, d. h. unabhängig programmiert, betrieben werden. Da im Eingangsprozess eines µP/exp eine automatische Synchronisierung der externen Prozesse über die Link-Protokolle stattfindet, kann hier auch der Majoritätsentscheid durch­ geführt werden. Außerdem können hier neben Plausibilitätskontrollen auch Zusammenhänge bei geometrisch unterschiedlich angeordneten Sensoren aufge­ stellt werden.

In Fig. 3 ist eine AOCS-Struktur skizziert, bei welcher durch Zufügen ei­ ner redundanten bzw. doppelt redundanten AOCE die Zuverlässigkeit erhöht werden kann. Die AOCE kann eine beliebige innere Struktur haben, wie bei­ spielsweise in Fig. 4a und b angedeutet.

In Fig. 5 ist gezeigt, wie eine beliebig hohe Zuverlässigkeit eines AOCS erreicht werden kann. Die AOCE ist hier z. B. mit einem quasi-neuronalen Netzwerk aus µP/exp′s ausgelegt. Die Aufgaben müssen hier nicht mehr lo­ kal fixiert bleiben. Hier kann mehrfach heißredundant gearbeitet werden. Eine beliebige Umkonfigurierung der Aufgabenverteilung bei Ausfällen ein­ zelner Zellen kann vorgenommen werden, ohne daß auch nur kurzfristige Funktionseinbußen hingenommen werden müssen.

In Fig. 6 ist das Blockschaltbild des beschriebenen AOC-Systems mit seinem eingebundenen Prüfsystem skizziert. Dieses Prüfsystem ist so konzipiert, daß es für jeden Prüfzweck von allen am IV-Netz liegenden Geräten benutzt werden kann, also als "Unittester", für dynamische Tests, als Simulator und als EGSE (Electrical Ground Support Equipment) einsetzbar ist.

Der Realtimerechner ist ebenfalls ein µP/exp-Netzwerk und wird über das IV-Netz mit den testspezifischen Programmen geladen. Notwendige allgemeine DV-Arbeiten - wie beispielsweise interaktive Steuerung, Ablaufkontrolle, Archivierung, Datenein- und -ausgabe, Testdokumentation und ähnliches - wird in einer entsprechenden Einrichtung durchgeführt (beispielsweise Hostrechner mit UNIX-Betriebssystem (Warenzeichen geschützt)). Weiterhin besitzt der Realtimerechner Konvertierungseinrichtungen für den Anschluß von Analog-Aufzeichnungsgeräten etc. Die Anbindung des jeweiligen Prüf­ lings erfolgt ausschließlich über µP/exp-Links, so daß die Kommunikation mit dem Prüfling im wesentlichen durch die Protokolle definiert wird. Der Echtzeitrechner kann beispielsweise mit universellen Software-Werkzeugen ausgerüstet sein, welche auch die Simulation der Regelstrecke bei den dy­ namischen Tests ermöglichen.

Die vorgeschlagene Einführung des µP/exp beim AOC-System und dessen Prüfsystem hat zur Folge, daß einmal eine wesentliche Reduzierung oder so­ gar ein Wegfall der Interface-Einheiten bei der AOCE erzielt wird. Dies ist ebenfalls bei den Steckern und der internen Verkabelung der Fall und führt zu einer erheblichen Typenreduzierung. Allein hierdurch wird schon eine wesentliche Zuverlässigkeitssteigerung realisiert.

Claims (6)

1. Bahn- und Lageregelungssystem (Attitude and Orbit Control System - AOCS), bestehend aus einer Anzahl von Peripheriegeräten - wie Sonnen­ sensor, Erdsensor, Gyros, Düsensteuerung, Drallrad, Telecommand- und Telemetriesystem (TC/TM), Magnetometer und Magnetic Torquer - denen eine Elektronik (Attitude and Orbit Control Electronic - AOCE) zur Steuerung und Regelung zugeordnet ist und die Verbindung miteinander kommunizierender Geräte direkt (d. h. von Punkt zu Punkt) erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jedes Gerät im AOCS mit minimal einem Mikroprozessor (µP/exp) versehen ist, welcher die Eigenschaft besitzt, seine Aufgaben ohne Programmänderung auf weitere gleichartige Mikroprozessoren verteilen zu können und damit eine Expandierung seiner Rechenleistung ermöglicht,
• - daß durch direkte Verbindungen der Geräte im AOCS als auch der Mikroprozessoren untereinander die Kommunikationsbandbreite expandierbar ist,
• - daß jeder Mikroprozessor mehrere Kommunikationskanäle besitzt,
• - daß die Kommunikation über serielle Verbindungen und ein mikroprozessorspezifisches Protokoll erfolgt,
• - daß durch Potentialtrennung der Kommunikationsleitungen zwischen den Geräten eine potentialgebundene Energieversorgung der Geräte mittels transformatorlosen 2-Punktreglern möglich wird, und
• - daß sowohl das AOCE als auch einzelne AOCS-Geräte in allen Phasen an eine Prüfanlage angeschlossen werden können, welche zu Simulations-, Test- und Schulungszwecken verwendet wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfan­ lage ein integraler Bestandteil eines Informations-Verarbeitungs-Netzwerkes (IV-Netz) ist, wobei für die Prüfzwecke allgemeine Datenverarbeitungsgeräte (wie Workstations, Drucker, Plotter, Speicher und Software) des IV-Netzes verwendet werden.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das AOCS eine dezentralisierte Rechenleistung und eine Datenverarbeitung vor Ort aufweist.

4. System nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikroprozessor (µP/exp) mit einem eigenen Programm- und Daten­ speicher versehen ist.

5. System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikroprozessor (µP/exp) die Datenverarbeitung über eine Central Processing Unit (CPU) und getrennt davon den Datentransfer über Direct Memory Access (DMA) ohne CPU-Belastung durchführt.

6. System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit diesem System beliebige Redundanzstrukturen bis hin zur mehrfach redundanten Auslegung des AOCS realisierbar sind, wobei beim AOCS im Fehlerfall keine Funktionseinbußen entstehen und durch Rekonfiguration kein Betriebsstillstand erforderlich ist (Fig. 5).