"Operational Challenges in the development from single-satellite to constellation missions" presentation made by Christian D.Bodemann at Weltraum 2014 event of the German Association for Defence Technology (DWT). Only German version.

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DWT 2014 Die operativen Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Einzelsatellitenmissionen hin zu Konstellationsmission von Satelliten
Dipl.-Ing. Christian D.Bodemann
7/9/2014

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10/09/2014
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ÜBERSICHT Einleitung Operative Herausforderungen Beispiel 1: Routinebetrieb Beispiel 2: Notfallbetrieb Beispiel 3: Konstellationserweiterung und Lebensphasen Herausforderungen an einen Simulator Zusammenfassung
DIE OPERATIVEN HERAUSFORDERUNGEN BEI DER WEITERENTWICKLUNG VON EINZELSATELLITENMISSIONEN HIN ZU KONSTELLATIONSMISSION VON SATELLITEN

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EINLEITUNG Hatte man in der jüngeren Vergangenheit immer mehr Instrumente auf einen Satelliten eingebaut um möglichst viel Daten zu gewinnen (ENVISAT), so gibt es in jüngster Zeit einen Trend hin zu Konstellationen von Satelliten. Das hat enorme Vorteile hinsichtlich der Verfügbarkeit der Daten und des Ausfallrisikos des Gesamtsystems. Diese Vorteile haben aber auch Ihren Preis. Einen Satelliten zu betreiben und das Personal dafür zu trainieren, ist eine Aufgabe, die mittlerweile Routine ist. Der Betrieb einer Konstellation von Satelliten hingegen ist in Europa weitgehend Neuland. Diese Herausforderung gilt es zu meistern vor dem Hintergrund von schrumpfenden Budgets und erwarteter Effizienzsteigerung auf der anderen Seite. Diese Herausforderung nicht zu meistern oder gar zu ignorieren kann sich niemand leisten (KOSMOS / IRIDIUM) und führt im schlimmsten Fall dazu, dass Missionen nicht erfolgreich durchgeführt und SSA Aktivitäten erweitert werden müssen.
Langfristige Lageänderung
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OPERATIVE HERAUSFORDERUNGEN
Es gibt Konstellationen in niedrigen (LEO) und mittleren Erdorbits (MEO). (Geostationär stellt nicht wirklich eine Herausforderung dar) Bei LEO-Konstellationen haben Bodenstationen kurze Kontaktzeiten mit vielen Satelliten Bei MEO-Konstellationen haben Bodenstationen zu vielen Satelliten zur selben Zeit Kontakt Satellitenkonstellationen sind nicht immer homogen, sie können aus verschiedenen Satelliten bestehen Routinebetrieb ist sehr dynamisch und muss gut vorgeplant sein Notfallprozeduren können sehr kompliziert werden
Die Herausforderung besteht darin: Sind die Teamgröße, Qualifikation und Betriebsplanung der Aufgabe gewachsen? Ist der Betrieb kosteneffektiv?
Die Herausforderung Satellitenkonstellation
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OPERATIVE HERAUSFORDERUNGEN
Die Hauptaufgaben umfassen bei einem typischem Flugkontrollteam im Wesentlichen: Planung Vorbereitung Beobachtung Betrieb bei Anomalien und Notfällen
Für einen einzelnen Satelliten sind all diese Aufgaben sind klar definiert und man hat jede Menge Erfahrung. Im Falle einer Konstellation hat man aber mehr als einen Satelliten und das hat einen Einfluss auf den Betrieb hinsichtlich: Teamgröße Betriebsmittelplanung und -verteilung Konfigurationskontrolle
Und natürlich haben alle diese Punkte Einfluss auf die Kosten!
Hauptaufgaben
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OPERATIVE HERAUSFORDERUNGEN
Es gibt drei Optionen, mit denen man die Kosten unter Kontrolle halten kann: Automatisierung des Betriebs Optimierung der Betriebsabläufe Strenge Konfigurationskontrolle
Kosteneffizienz
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OPERATIVE HERAUSFORDERUNGEN
Diese Maßnahmen können nur erfolgreich sein unter den folgenden Bedingungen: Ein hoch qualifiziertes und trainiertes Team, das Probleme erkennen und lösen kann, die von den automatisierten Betriebsabläufen nicht erkannt und gelöst werden können. Validierte und getestete Betriebskonzepte und Prozesse Die Möglichkeit Änderungen an den automatischen Prozessen validieren zu können ohne die Nutzung der Satelliten oder einen Eingriff in die operativen Betriebsabläufe.
Das erfordert eine Menge Vorbereitung, Tests und Training.
Für welche Fälle wäre ein Training nützlich ?
Einsatzbereit ?
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BEISPIEL 1: ROUTINEBETRIEB
Während des Routinebetriebs sind normalerweise mehrere Satelliten sichtbar, mit denen kommuniziert werden kann. Eine Antenne kann aber nur mit einem Satelliten kommunizieren. Die Kommunikation muss sequenziell erfolgen. Die Nutzung der Bodeninfrastruktur muss daher präzise vorausgeplant werden. Der Übergang von einem Satelliten zum nächsten muss klar definiert und trainiert sein. Automatische Prozeduren müssen aufgesetzt werden und getestet werden.
Anzahl der sichtbaren Satelliten
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BEISPIEL 1: ROUTINEBETRIEB
Wenn mehr als ein Satellitentyp oder Variante in der Konstellation verwendet wird, dann müssen für jeden dieser Satelliten eigene Kommandosequenzen und Prozeduren aufgesetzt und getestet werden. Selbst wenn es sich um denselben Typ handelt, kann die Konfiguration abweichen. Das erfordert eine umfangreiche und komplexe Konfigurationskontrolle. Sie Sequenz von Kontakten von unterschiedlichen Satelliten erfordert daher ein hohes Level an automatischen Überprüfungen.
Das zeigt, das für den Routinebetrieb das Betriebstraining umfangreicher und komplexer sein muss als für einen einzelnen Satelliten. Das Training hat eigentlich zwei Ebenen: Die des Betriebs eines einzelnen Satelliten und die des Satellitenflottenmanagements.
Diese zweite Ebene ist genau der Punkt, bei dem Europa Neuland betreten hat.
Herausforderungen
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BEISPIEL 2: NOTFALLBETRIEB
Einfaches Beispiel: Eine Bodenstation arbeitet routinemäßig einen Satellitenkontakt nach dem anderen ab. Plötzlich stellt der Betreiber fest, dass einer der Satelliten in einer Notlage ist und in „SAFE MODE“ gegangen ist. Dafür gibt es Notfallprozeduren, die für diesen Fall eine Umverteilung der Betriebsmittel und die weitere Vorgehensweise regeln. Dies müssen gut geplant und trainiert sein. Während bei dem Betrieb eines einzelnen Satelliten der Betrieb unterbrochen wird und die Anomalie beseitigt wird, muss aber bei dem Betrieb einer Konstellation der Routinebetrieb der Konstellation aufrechterhalten werden.
Was wenn ?
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BEISPIEL 2: NOTFALLBETRIEB
Das Beispiel zeigt, dass im Falle eines Notfalls von einem Moment auf den anderen zu einem Parallelbetrieb übergegangen werden muss. Das bedeutet, dass Betriebsmittelzuweisungen (Team, Antennen) und Zuständigkeiten im Voraus sorgfältig geplant sein müssen. Der Übergang vom Routinebetrieb zum Notfallbetrieb und damit der Übergang in den Parallelbetrieb muss geplant, vorbereitet und trainiert werden.
Notfallszenarien können sehr komplex sein, da eine Konstellation aus beliebig vielen Satelliten bestehen kann. Da aber Probleme mit einem oder mehreren Satelliten keinen nennenswerten Einfluss auf die Performance der Konstellation haben dürfen, ist der Notfallbetrieb intensiv zu üben.
Parallelbetrieb
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BEISPIEL 3: KONSTELLATIONSERWEITERUNG UND LEBENSPHASEN
Im Prinzip entsteht die Notwendigkeit zur Vorbereitung, Testen und Training eines Konstellationsflottenmanagement mit dem Start des zweiten Satelliten. Jede Erweiterung der Konstellation erfordert einen Satellitenflottenbetrieb für: Die im Betrieb befindlichen Satelliten Den neu hinzuzufügenden Satelliten Satellitenflottenbetrieb in Routinephasen Satellitenflottenbetrieb in Notfallphasen Parallelbetrieb während einer Verschiebung eines Satelliten im Orbit. Parallelbetrieb während der Überführung eines Satelliten in seinen „Friedhofsorbit“.
Wann ist Konstellationsflottenmanagement nötig ?
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HERAUSFORDERUNGEN AN EINEN SIMULATOR
Der Missionssimulator muss nicht nur einen Satelliten in allen Einzelheiten simulieren sondern die gesamte Konstellation. Alle verschieden Varianten und Konfigurationen von Satelliten müssen im Simulator abgebildet sein. Er muss mit dem Missionskontrollsystem der Konstellation verbunden werden können. Alle Satellitenmodelle im Simulator müssen Prozessoremulatoren haben, um die aktuelle On-Board-Software-Konfiguration betreiben zu können. Alle möglichen Konstellationsnotfallszenarios müssen simulierbar sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
Eine Satellitenkonstellation erfordert mehr als nur den Betrieb eines Satelliten - Es erfordert die Einführung eines Satellitenflottenmanagements. Obwohl im Routinebetrieb die Bodenstationen sequenziell genutzt werden, erfordern einige Phasen wie die Erweiterung der Konstellation, Notfälle oder die Außerbetriebnahme eines Satelliten den Parallelbetrieb, um den Betrieb der gesamten Konstellation nicht zu unterbrechen. Alles muss getestet und validiert werden. Alles muss trainiert werden. Viele Vorgänge können automatisiert werden. Letztendlich entscheidend bleiben aber immer die Fähigkeiten der Bediener. Nur hochqualifiziertes und trainiertes Personal kann die richtigen Schritte zur richtigen Zeit einleiten. Dazu ist eine adäquate und repräsentative Test und Trainingsumgebung nötig: ein Konstellationssimulator.
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