CC BY
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УДК 621.529
Д.Г. Островерхов, Д.Ю. Богданов
Берлинский технический университет, г. Берлин, Германия
ENTWURF EINER FERNSTEUERUNG FÜR EIN NETZWERK VON SATELLITENBODENSTATIONEN
1. Einleitung
Die vorliegende Arbeit beschreibt moderne Komponenten, Technologien und Lösungen für die Entwicklung einer leistungsfähigen und effizienten Bodeninfrastruktur, die durch Vernetzung von mehreren Bodenstationen realisiert werden kann.
Dem Leser wird ein Konzept für die autonome Fernsteuerung des Bodenstationsnetzwerkes vorgestellt und ein Client/Server-System für den Endnutzer entworfen.
Der Ansatz eines eigenen Bodenstationsnetzwerks bietet dem Nutzer die Möglichkeit, den Betrieb eigener Satellitensysteme zu unterstützen und die methodologischen Grundlagen in die Lehrveranstaltungen auf dem Gebiet des Satellitenbetriebs zu vermitteln.
2. Motivation
Die Entwicklung der Raumfahrttechnologien an den universitären Einrichtungen gewinnt in den letzten Jahren stark an Bedeutung. Derzeit führen weltweit mehr als 80 Universitäten Forschungsarbeiten an eigenen Kleinsatellitenmissionen, die nicht mehr nur zur studentischen Ausbildung gehören, sondern auch in Ergänzung zu den konventionellen Satelliten spezielle Aufgaben in den Bereichen Kommunikation, Erdbeobachtung und Technologieerprobung lösen oder andere spezifische Dienstleistungen erbringen.
Traditionell spielt die Technische Universität Berlin eine führende Rolle auf dem Gebiet der Kleinsatellitenentwicklung. Mit ihren berühmten Kleinsatellitenmissionen hat sich die TU Berlin hohe Anerkennung in der Fachwelt erworben und steht mit ihren Forschungsaktivitäten an vorderster Stelle im universitären Satellitenbau.
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Die Motivation, die hinter dieser Diplomarbeit steht, ist die Realisierung eines Konzeptes für den Aufbau eines Bodenstationsnetzwerks, dessen Einsatz den Betrieb der eigenen Satellitenmissionen der TU Berlin unterstützen soll.
3. Problemstellung
Durch die Entwicklung der innovativen Lösungen für Satellitenkomponenten und Bodeninfrastruktur wird die Rolle der Kleinsatellitenmissionen immer bedeutender und macht ihren Ansatz als Plattform für neue Technologieerprobung noch viel attraktiver.
Angesichts der in den letzten Jahren enorm gestiegenen Effektivität der Kleinsatellitensysteme steigen auch die technischen und wissenschaftlichen Anforderungen an das Bodensegment. Besonders wichtig dabei ist, das Betriebsszenario der Missionen nicht durch die Leistungsfähigkeit und Kapazität der Bodeninfrastruktur einzuschränken.
Für viele Betreiber der modernen Kleinsatellitenmissionen ist es von entscheidender Bedeutung, einen schnellen Zugang zum Satelliten zu haben, um Befehle zu erteilen und gesammelte Informationen abzufragen. Problematisch dabei ist, dass man mit einer Bodenstation bei konventionellen Betrieb durchschnittlich 30 bis 40 Minuten an Kontaktzeit pro Tag hat. Dies betrifft insbesondere die Satellitenmissionen auf niedrigem Erdorbit (LEO), da die Kontaktzeit mit sinkender Bahnhöhe auch proportional abnimmt.
Um die Kontaktzeiten zu erweitern und somit eine deutlich höhere Ausnutzung des gesamten Systems zu erreichen, müssen immer bessere und effizientere wissenschaftlich-technische Lösungen für das Bodensegment gefunden werden. Eine davon ist die Verwendung eines Netzwerkes der auf der Welt verteilten Bodenstationen.
Diese Konstellation soll den Satellitenbetrieb so gestalten, dass die Lücken zwischen den Bodenstationsüberflügen nicht zu groß werden, um möglichst rasch den Kontakt zu dem Raumseg-
ment herstellen zu können.
Die Problematik der Benutzung solcher Konstellation liegt an den fehlenden Methoden und Algorithmen zum autonomen Betrieb der Bodenstationen als ein gemeinsames Netzwerk und an der Inkompatibilität der Bodenstationen.
4. Zielsetzung
Infolge der Implementierung von internationalen Kooperationsprojekten wurden in den Partneruniversitäten in Taschkent (Usbekistan) und Krasnojarsk (Russland) die Satellitenbodenstationen nach Vorbild der Bodenstation der TU Berlin gebaut, die ab sofort auch für den gemeinsamen Betrieb zur Verfügung stehen. Im Jahr 2010 wurden noch sechs weitere Bodenstationen in Russland, in der Ukraine und in Kasachstan von dem Fachgebiet Raumfahrttechnik gebaut.
Alle Bodenstationen sind in der Ausführung identisch und mit ihrer vorteilhaften geografis-chen Anordnung bilden sie eine einzigartige Infrastruktur für die Forschung im Bereich der Raumfahrttechnik.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Vorstellung der Komponentenbasis einer vorbildlichen Bodenstation und die Erarbeitung eines Konzeptes für die Vernetzung von mehreren Bodenstationen in einer einheitlichen Infrastruktur sowie die Entwicklung neuer Algorithmen für einen autonomen Betrieb dieses Bodenstationsnetzwerkes. Dabei wird eine Anwendung entworfen, die die komplette Fernsteuerung über das ganze Bodenstationsnetzwerk übernimmt und den dezentralen Datentransfer zwischen dem Endnutzer und den einzelnen Bodenstationen ermöglicht.
Im folgenden Kapitel wird die Entwicklung einer auf dem Client/Server-Prinzip basierenden Anwendung beschrieben, welche die Fernsteuerung der einzelnen Bodenstationen übernimmt und den Datenaustausch zwischen dem End-Nutzer und den Satelliten über ein Netzwerk ermöglicht.
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5. Aufgaben und Anforderungen
Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Softwareumgebung, die einen Datenaustausch mit dem Satellitenkommunikationsmodul über einen Fernzugriff ermöglicht und ebenfalls die Fernsteuerung der Bodenstationsanlagen übernimmt, so dass für den Endnutzer eine Simulation der direkten Verbindung mit der Bodenstationsinfrastruktur entsteht. Dabei wird die Übertragung der Satellitendaten protokollunabhängig realisiert, was den universalen Betrieb für mehr oder weniger beliebige Satelliten ermöglicht.
Angesichts des gestellten Ziels muss das System folgende Grundaufgaben erfüllen:
• Fernsteuerung der Antennennachführung
• Fernsteuerung der Betriebsparameter eines Funkgerätes (Frequenzen etc.)
• Fernsteuerung des TNC
• Rückmeldungen über die aktuellen Betriebszustände und -einstellungen der Bodenstationskomponenten
• Synchronisierung der Telekommandoübertragung mit Frequenzumstellung zum Ausgleich des Doppler-Effekts
Das System stellt an die vernetzten Bodenstationen folgende Anforderungen:
• identische Komponentenbasis
• Verwendung einheitlicher Softwarekomponenten
• bestehende Internetverbindung mit einer Übertragungsrate von mind. 512 kB/s
• Betriebssystem Windows
Für die Realisierung des Vorhabens wird ein Server/Client-Modell verwendet. Aufgrund seiner universellen Verwendbarkeit wird für die Datenübertragung das Netzwerkprotokoll TCP/IP bevorzugt.
6. Gesamtdesign
Entsprechend der gestellten Aufgaben wird das System folgenderweise aufgebaut:
Die Bahndaten und die Doppler-Korrekturwerte werden von der Satellitentracking-Software
SatPC32 berechnet und über eine DDE-Schnittstelle ausgegeben. Diese Daten werden von der Client-Anwendung erfasst und anhand eines abgestimmten Protokolls via TCP/IP- Verbindung an den Server gesendet. Der Server seinerseits wird die anfallenden Daten analysieren und entsprechend an das Funkgerät oder an das Rotorsystem übertragen. Die Azimut- und Elevationswerte, die für die Antennennachführung notwendig sind, werden vom Server über eine DDE-Schnittstelle an das Programm ARSWin weitergeleitet.
Dabei werden die Befehle (Soll-Werte) an den Rotorkontroller erteilt und auch die Rückmeldungen (Ist-Werte) von dem Kontroller abgelesen. Diese Rückmeldungen werden ebenfalls vom Server aufgenommen und über TCP/IP an den Client weitergeleitet. Die Frequenzkorrektur sowie weitere Funkgeräteinstellungen werden von dem Server über eine CI-V-Verbindung an das Funkgerät übergeben.
Über die gleiche Verbindung werden die Rückmeldungen des Funkgerätes über die aktuellen Betriebseinstellungen erhalten.
Zwischen Client und GUI wird eine Verbindung über eine virtuelle COM-Schnittstelle aufgebaut. Diese gestattet es, die Übertragung der eigentlichen Nutzdaten (TM, TC) so zu organisieren, dass für den Nutzer eine Simulation der direkten Verbindung zu dem TNC nachgespielt wird.
An der Seite des Servers wird der Datenaustausch mit dem Kommunikationsmodul über eine konventionelle RS232-Schnittstelle realisiert.
