Hoe functioneren de kerncomponenten van On-Board Data Handling in satellieten?

De On-Board Data Handling (OBDH) systemen in onbemande ruimtevaartuigen vormen een cruciaal onderdeel van de operationele infrastructuur van satellieten. Ondanks de grote diversiteit in ontwerp van deze subsystemen tussen verschillende ruimtevaartuigen, is het gebruik van internationale standaarden een gemeenschappelijk kenmerk dat samenwerking en compatibiliteit bevordert. Dit hoofdstuk behandelt de fundamentele componenten van OBDH, met voorbeelden uit klassieke communicatiesatellieten (zoals de Spacebus 3000-serie van Thales) en lage baan satellieten (LEO), zoals TerraSAR-X van Astrium en TET van Kayser-Threde.

Een typische satelliet in een lage baan is voorzien van een GPS-ontvanger, die essentieel is voor tijdsynchronisatie en baanmetering, en een massief geheugenmodule voor de opslag van grote hoeveelheden payloaddata. Vaak is de software voor attitude- en baansturing geïntegreerd in de hoofdprocessor, hoewel dit afhankelijk is van de specifieke missie en ontwerpkeuzes. De belangrijkste componenten zijn onder meer een TM/TC-board, On-Board Computer (OBC), massamemory unit, databus en diverse externe modules.

De On-Board Computer (OBC) is het programmabele hart van het OBDH-systeem, waar de satellietspecifieke software draait om complexe taken te beheren, waaronder payloadbeheer en systeemcontrole. Afhankelijk van het ontwerp kunnen sommige functies zoals attitude controle worden uitgevoerd door aparte modules. Aangezien software kwetsbaar is voor fouten en updates vereist kan zijn, zijn monitoringmechanismen en de mogelijkheid tot upladen van nieuwe software essentieel om de operationele integriteit van de OBC te waarborgen. Naast de OBC bevinden zich nabijgelegen modules zoals safeguard memory, massamemory en reconfiguratiemodules, die de betrouwbaarheid en flexibiliteit van het systeem vergroten.

Massamemory units zijn noodzakelijk voor ruimtevaartuigen die niet permanent verbonden zijn met grondstations, zoals interplanetaire sondes en LEO-satellieten. Waar vroeger mechanische tape recorders werden gebruikt, zijn deze tegenwoordig vervangen door robuuste solid-state opslagmedia die ofwel geïntegreerd zijn met de OBC of direct gekoppeld aan de payloadinstrumenten. Deze ontwikkeling heeft geleid tot een hogere betrouwbaarheid en grotere opslagcapaciteit.

Redundantie is een onmisbaar principe binnen OBDH-systemen. Vanwege de vitale functie van de subsystemen worden alle kritieke componenten dubbel uitgevoerd om uitval te voorkomen. Afhankelijk van het ontwerp kan redundantie betekenen dat reserve-apparatuur actief meedraait of alleen wordt ingeschakeld bij een storing.

Het begrijpen van deze subsystemen en hun interacties is van groot belang om inzicht te krijgen in de complexiteit van satellietoperaties. Naast de technische componenten is het cruciaal te beseffen dat de betrouwbaarheid van ruimtevaartuigen niet alleen berust op hardware, maar in hoge mate ook op de robuustheid van software, het strikte gebruik van standaarden en het implementeren van fail-safe mechanismen zoals redundantie en foutdetectie. De werking van een OBDH-systeem is daardoor een samenspel van mechanica, elektronica en informatica, ontworpen om langdurig en autonoom te functioneren in de uitdagende omgeving van de ruimte.

Hoe Telemetrie en Attitude Dynamica de Prestaties van Ruimtemissies Beïnvloeden

Tijdens de uitvoering van ruimtemissies is de nauwkeurigheid van de attitude (oriëntatie) van een ruimtevaartuig cruciaal. De dynamica van de attitude en de bijbehorende telemetrie kunnen van grote invloed zijn op de effectiviteit van de missie en de betrouwbaarheid van de verzamelde gegevens. De monitoring van de attitude van een ruimtevaartuig wordt vaak uitgevoerd door middel van quaternionen, die gedetailleerde informatie geven over de oriëntatie ten opzichte van een sterrensysteem of andere referentieobjecten.

Een voorbeeld van de verificatie van telemetrie tijdens een stationcontact wordt weergegeven in figuur 14.12. Deze controles maken vaak deel uit van procedures die, zoals in figuur 14.11, geheel of gedeeltelijk in real-time worden uitgevoerd. Het belang van een goed uitgevoerde telemetrieverificatie ligt in het feit dat deze controles niet alleen de initiële status van de ruimtevaartuigoriëntatie vastleggen, maar ook zorgen voor een continue monitoring, waarmee de stabiliteit en de consistentie van de vlucht wordt gegarandeerd.

Bijvoorbeeld, tijdens de GRACE-missie werden er sterke verstoringen waargenomen in de quaternionmetingen van de star tracker in de eerste dagen van de Launch and Early Orbit Phase (LEOP). Deze verstoringen traden in elke omloop op en duurden ongeveer vijf minuten, wat een duidelijk patroon vertoonde. Het was belangrijk om te begrijpen dat deze discontinuïteiten, zoals rond epoch 0.25 of 0.75, geen fouten waren, maar veroorzaakt werden door een pariteitswissel. Dit betekent dat de wijziging van het teken van alle vier de quaternioncomponenten de quaternion zelf niet veranderde, wat belangrijk is voor het interpreteren van de gegevens.

Veranderingen in de FOV (Field of View) van de star tracker kunnen ook invloed hebben op de kwaliteit van de metingen. Zo toont figuur 14.14 de baan van de maan door het FOV van de star tracker voor twee opeenvolgende omlopen. De blauwe markeringen duiden de punten aan waar de oplossing ongeldig werd, terwijl de rode lijnen het nominale FOV weergeven. Het FOV van de star tracker kan worden aangepast om grotere gebieden te dekken, zoals in figuur 14.15, waar de maan het vergrote FOV van 30° × 26° binnengaat en een omschakeling naar een redundante star tracker wordt geactiveerd. Dit systeem garandeert dat de metingen niet verloren gaan, zelfs als de maan de nominale kijkhoek verlaat, door een veiligheidsmarge van ongeveer 1° toe te passen.

De telemetrie zelf wordt vaak in real-time geanalyseerd, waarbij het ruimtevaartuig continu zijn oriëntatiegegevens verzendt naar de grondstations. Dit proces omvat nauwkeurige timing en het verzenden van gegevens zoals quaternionen die de oriëntatie van het ruimtevaartuig in drie dimensies aangeven. De quaternionen zijn essentieel voor het bepalen van de attitude van het ruimtevaartuig, maar kunnen ook verstoringen vertonen die moeten worden geïdentificeerd en gecorrigeerd om betrouwbare gegevens te verkrijgen.

De software die wordt gebruikt om de missie te plannen, is van cruciaal belang voor het beheren van de complexe interacties tussen het ruimtevaartuig en de grondstations. Het plannen van de juiste communicatievensters en het bepalen van het juiste moment voor het ontvangen van telemetrie vereist een goed begrip van de missionele eisen en de mogelijkheden van de ruimtevaartuigen. Dit geldt vooral voor missies zoals de GRACE- en Earth-observatie-satellieten, waarbij voortdurend gegevens moeten worden verzameld en geanalyseerd.

Een belangrijk aspect van deze planning is het garanderen van conflictvrije sequenties van activiteiten. Dit betekent dat elke opdracht die aan het ruimtevaartuig wordt gegeven, moet worden gepland op een manier die rekening houdt met de beschikbare middelen aan boord en op de grond. De taak van de missieplanning is niet alleen om ervoor te zorgen dat de activiteiten op het juiste moment plaatsvinden, maar ook om te zorgen voor een efficiënte inzet van middelen, zodat zoveel mogelijk missie-objectieven worden bereikt.

Naast de technische uitdagingen moet de missieplanning ook rekening houden met de operationele omgeving en de veranderende omstandigheden van de missie. De uitvoering van de missie kan immers variëren afhankelijk van de externe factoren, zoals de prestaties van de ruimtevaartuigen, de status van de sensoren en de effectiviteit van de communicatie. Dit vereist een flexibele benadering van de planning, waarbij de mogelijkheid om snel aanpassingen te maken van groot belang is.

Wat zijn de belangrijkste afkortingen en termen in de ruimtevaarttechnologie?

In de ruimtevaarttechnologie komen we een breed scala aan termen en afkortingen tegen die noodzakelijk zijn voor het begrijpen van de complexiteit van ruimteoperaties. Deze afkortingen zijn niet alleen relevant voor de technici en wetenschappers die betrokken zijn bij de ruimtevaart, maar ook voor het bredere publiek dat interesse heeft in de achterliggende technologie en de operaties van ruimteagentschappen zoals NASA, ESA en andere internationale ruimteorganisaties.

Een belangrijke afkorting in de ruimtevaart is de CRC (Cyclic Redundancy Check), een techniek die wordt gebruikt voor foutdetectie in digitale gegevens. Het zorgt ervoor dat gegevensintegriteit behouden blijft, wat essentieel is voor de betrouwbaarheid van communicatie tussen ruimtevaartuigen en grondstations.

Andere termen zoals DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) en DART (Demonstration for Autonomous Rendezvous Technology) verwijzen naar belangrijke onderzoeksinitiatieven die bijdragen aan de ontwikkeling van geavanceerde technologieën voor autonoom docken en rendez-vous operaties in de ruimte. Deze innovaties zijn fundamenteel voor het toekomstige succes van ruimtevaartmissies die langdurige operaties in de ruimte vereisen, zoals het onderhouden van satellieten of het onderzoeken van asteroïden.

In de praktische uitvoering van missies wordt veel gebruikgemaakt van systemen zoals DMS (Data Management Subsystem) en DS (Daily Summary). Deze systemen zorgen voor een georganiseerde stroom van informatie, wat essentieel is voor het monitoren van de voortgang van de missie, het opsporen van afwijkingen en het ondersteunen van de besluitvorming.

DOR (Differential One-Way Ranging) en DR (Discrepancy Report) zijn twee afkortingen die vaak samen worden genoemd in de context van missieplanning en het uitvoeren van precisieberekeningen voor de positionering van ruimtevaartuigen. DOR maakt het mogelijk om de exacte afstand tussen ruimtevaartuigen en grondstations te berekenen, wat cruciaal is voor succesvolle lanceringen en dockings.

Daarnaast is ESA (European Space Agency) de organisatie die de coördinatie van de Europese ruimtevaartactiviteiten verzorgt en daarbij fungeert als een belangrijke speler in internationale ruimteverkenning. ESTEC (European Space Research and Technology Center) is het onderzoeks- en technologiecentrum van ESA, waar veel van de innovaties worden ontwikkeld die de basis vormen voor ruimtevaartmissies van vandaag en morgen.

Een andere belangrijke term is EVA (Extravehicular Activity), wat verwijst naar activiteiten die astronauten buiten hun ruimtevaartuig uitvoeren, zoals het repareren van satellieten of het uitvoeren van wetenschappelijke experimenten in de ruimte. EVA vereist geavanceerde technologie, zoals de EMU (Extravehicular Mobility Unit), die astronauten de nodige bescherming en mobiliteit biedt tijdens hun werk in de ruimte.

ISS (International Space Station) is de ultieme uitdrukking van internationale samenwerking in de ruimte. Het station fungeert als een laboratorium voor wetenschappelijk onderzoek, maar ook als testplatform voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën die essentieel zijn voor toekomstige missies naar de maan, Mars en verder.

Er zijn tal van andere technische termen en afkortingen die verband houden met ruimtevaart, van FDS (Flight Dynamics System), dat de trajectplanning en -optimalisatie van missies beheert, tot DMP (Data Management Platform), dat de gegevensstroom van een missie coördineert en analyseert.

Bij het werken met deze afkortingen is het essentieel om te begrijpen dat de technologieën en systemen die achter elke afkorting schuilgaan, vaak met elkaar zijn verweven. Ze ondersteunen elkaar in het creëren van een succesvolle missie en kunnen niet los van elkaar worden gezien. Bovendien kunnen nieuwe ontwikkelingen en samenwerkingsverbanden binnen de ruimtevaartgemeenschap continu bijdragen aan het verbeteren van de effectiviteit en veiligheid van ruimteoperaties, die een cruciale rol spelen in de verkenning van de ruimte.

Hoe tijdslijnen en activiteiten hiërarchieën in planningsmodellen kunnen worden toegepast

In een planningssysteem vormen tijdslijnen de basis voor het organiseren van activiteiten en het beheren van hun afhankelijkheden. Elke activiteit wordt gekoppeld aan een specifieke tijdlijn, die niet alleen de start- en eindtijd van de activiteit definieert, maar ook de relaties tussen verschillende activiteiten vastlegt. Dit maakt het mogelijk om complexe planningsscenario’s te modelleren, waarbij de interactie tussen resources, activiteiten en hun onderlinge afhankelijkheden in kaart wordt gebracht.

Een tijdlijn is in wezen een verzameling van tijdlijnentries, die elk overeenkomen met een activiteit of taak. In veel gevallen kunnen de activiteiten binnen een tijdlijn worden onderverdeeld in hiërarchieën van ouder-kind relaties. Dit betekent dat sommige lagere activiteiten (kinderen) moeten worden uitgevoerd om een groter doel te bereiken, bijvoorbeeld het uitvoeren van meerdere beeldacquisities om een groot gebied in kaart te brengen. In dergelijke gevallen wordt een ouderactiviteit gedefinieerd, die de overkoepelende taak vertegenwoordigt, en de afzonderlijke acquisities worden gekoppeld als kindactiviteiten aan deze ouder.

Het gebruik van ouder-kindrelaties biedt verschillende voordelen, waaronder een betere organisatie van de planning en de mogelijkheid om langetermijn- en kortetermijnplannen te combineren. In de praktijk wordt een ruwe planning opgezet door oudergroepen een tijdlijnentry te geven, die aangeeft wanneer een bepaald verzoek moet worden behandeld. Pas wanneer de kortetermijnplanning wordt gegenereerd, krijgen de kindactiviteiten hun respectieve tijdlijnentries. Dit maakt een graduele verfijning van de planning mogelijk, waarbij eerst de grote lijnen worden getrokken en later de details worden uitgewerkt.

Naast de tijdslijnen en de activiteit-relaties, speelt ook het concept van resources een cruciale rol in de planning. Resources worden gemodelleerd met een tijdsprofiel, wat de hoeveelheid beschikbare capaciteit op een bepaald moment aangeeft. Resources kunnen ook capaciteitslimieten hebben: wanneer deze limieten worden overschreden, wordt de overtollige capaciteit "verloren", zoals bijvoorbeeld in het geval van een batterij die na een bepaalde capaciteit niet verder opgeladen kan worden. Het tijdsprofiel van een resource kan worden beïnvloed door activiteiten, bijvoorbeeld wanneer een activiteit een resource modificeert door gebruik te maken van beschikbare capaciteit, zoals het downloaden van data, wat tijdelijk de beschikbare bandbreedte vermindert.

In planningssystemen worden deze resources vaak verder beperkt door zogenaamde resource bounds. Een resource bound definieert een tijdsprofiel waarbinnen de resource een bepaalde capaciteit niet mag overschrijden. Dit profiel kan afhankelijk zijn van de start- en eindtijden van de activiteiten in de tijdlijn. In sommige gevallen kan de wijziging van een resource door een activiteit langer duren dan de duur van de activiteit zelf, wat leidt tot extra complexiteit bij het beheer van de planning.

Een ander belangrijk concept in resourcebeheer is de zogenaamde "suitability" van een resource. Dit verwijst naar de geschiktheid van een bepaalde tijd voor het uitvoeren van een activiteit, afhankelijk van de beschikbare resources. Hierbij wordt het voordeel van het plannen van een activiteit op een bepaald moment gemeten door de beschikbare capaciteit van de resource, bijvoorbeeld door de integraal, het maximum of het minimum van de resourcecapaciteit te berekenen tijdens het tijdsinterval van de activiteit. Dit kan helpen om de meest geschikte tijdstippen voor de uitvoering van activiteiten te bepalen.

Bijvoorbeeld, wanneer we te maken hebben met opportuniteitsresources zoals de zichtbaarheid van een grondstation voor satellieten, kan een tijdlijn worden gebruikt om activiteiten alleen in te plannen wanneer het grondstation beschikbaar is. Dit voorkomt dat activiteiten zoals datadownlinks buiten het zichtbare tijdsvenster van het grondstation worden gepland, wat zou leiden tot mislukte communicatiepogingen.

Het combineren van deze benaderingen biedt enorme flexibiliteit in planningsmodellen, waarbij rekening wordt gehouden met de onderlinge afhankelijkheden tussen activiteiten, de beschikbaarheid van resources en de voorkeuren voor het plannen van activiteiten op basis van de geschiktheid van bepaalde tijdstippen. Dit resulteert in een krachtig planningssysteem dat zich kan aanpassen aan de complexiteit van verschillende domeinen, van ruimtevaart tot industriële productie.

Hoe worden de planningsprocessen voor menselijke ruimtevluchten georganiseerd?

De planningsprocessen voor menselijke ruimtevluchten zijn dusdanig aangepast aan het incrementele concept, zoals gedetailleerd beschreven in Sectie 17.5. Historisch gezien worden twee incrementen meestal samen behandeld in één gecombineerde planningsinspanning – dit betekent dat alle overwegingen die hieronder worden besproken van toepassing zijn op dubbele incrementen, bijvoorbeeld increment 37/38. Voor de toekomst kunnen er enkele aanpassingen worden verwacht aan het concept van increments, aangezien er op dit moment aanzienlijke veranderingen plaatsvinden in het vervoer van bemanningen. SpaceX vliegt al met bemanning en Boeing bereidt zich voor op de eerste bemande vlucht (zie Sectie 24.3.3).

De relatie tussen de ODF en het planningsverzoek wordt ook weergegeven in Figuur 17.3. De planningsverzoeken worden onderhouden in een database bij elk deelnemend controlecentrum (zie Sectie 17.3) en worden vervolgens ingevoerd in het gemeenschappelijke planningssysteem. De planningsverzoeken kunnen worden gezien als het bouwblok van de planningsinspanningen en bevatten naast de operationele gegevens ook de toegewezen astronauten en andere belangrijke planningsattributen die nodig zijn voor een correcte planning en uitvoering van de taken.

Gedurende het planningsproces moeten de beperkte middelen aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS), zoals bemanningstijd en datatransmissiebandbreedte, gedeeld worden tussen de verschillende internationale partners. Er is overeengekomen dat het aandeel dat elke partner mag gebruiken, direct gerelateerd is aan de bijdrage die zij leveren aan het ISS-programma. Dit betekent bijvoorbeeld dat de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) recht heeft op een gebruiksaandeel van 8,3% van alle gemeenschappelijke ISS-middelen, inclusief bemanningstijd.

Planningsteams

Het incrementele concept maakt het ook gemakkelijker om sleutelfunctionarissen toe te wijzen en zorgt ervoor dat taken en verantwoordelijkheden om de zes maanden worden geroteerd. De eerste stappen voor het definiëren van de inhoud van een increment worden genomen op managementniveau door elke internationale partner tijdens de strategische en tactische planningsfasen die hieronder worden beschreven. Elk ISS-controlecentrum faciliteert zijn eigen planningsafdeling, waarvan de experts aan de incrementen worden toegewezen.

Voor een bepaald increment zijn meestal verschillende mensen betrokken bij de voorbereidingsfase. NASA gebruikt de term "long-range planner" (LRP), ESA noemt hen "Columbus lead increment planner" (CLIP), en de Japanners voorzien de 3PO (pre-increment producten en WLP-officier). De voorbereidingsfase eindigt echter niet met de start van het increment; de plannen moeten opnieuw worden afgestemd naarmate de werkelijke uitvoeringsdag dichterbij komt vanwege de dynamische omgeving van de operaties van menselijke ruimtevluchten.

In alle ISS-controlecentra wordt deze near-real-time verwerking van de tijdlijn uitgevoerd door dezelfde mensen die de eerste versie van de tijdlijn hebben voorbereid, om overdrachten te minimaliseren en om de kennis van de planners die de voorbereidende fase hebben doorlopen optimaal te benutten. Een week voor de uitvoering wordt de tijdlijn voor een specifieke dag overgedragen van het planningspersoneel in de achterkamers naar het vluchtcontroleteam (FCT) op de consoles. Bovendien wordt binnen elk FCT een planningsfunctie geïmplementeerd via een speciale positie die wordt vervuld door een expert van de planningsgroep (zoals OPSPLAN bij het Johnson Space Center in Houston of COMET bij het Columbus Control Center in Oberpfaffenhofen). Deze real-time planners coördineren en verwerken late formele wijzigingen in de tijdlijn en kunnen de vluchtcontrollers ondersteunen in geval van replanning "on the fly".

Het concept van bemanningsflexibiliteit

Teamactiviteiten zijn taken met beperkingen die volgens plan moeten worden uitgevoerd. Deze kunnen echter anders worden uitgevoerd dan gepland, maar in dat geval is vooraf overleg tussen de bemanning en de grondteams vereist. Dit soort activiteiten kan afhankelijk zijn van speciale middelen of voorwaarden, of ondersteuning van de grondteams vereisen. Tijdkritische activiteiten moeten exact op het geplande moment worden uitgevoerd. Indien dit niet mogelijk is, wordt de activiteit voor die dag geannuleerd. In de tijdlijnweergave worden deze activiteiten gemarkeerd met een blauwe rand. Typische voorbeelden hiervan zijn publieke evenementen die live worden uitgezonden.

Voor bemanningsleden die vooraf hun interesse kenbaar maken, is er in de afgelopen jaren een concept van vrijwillige wetenschap/onderhoud opgezet. Als de bemanning vooraf aangeeft geïnteresseerd te zijn, stelt het grondteam een lijst samen van taken die autonoom door de bemanning uitgevoerd kunnen worden op weekenden of feestdagen. Elke bemanningslid ontvangt dan ongeveer twee weken van tevoren een lijst van mogelijke activiteiten waaruit ze hun voorkeur kunnen kiezen. Deze worden vervolgens ingevoegd in de tijdlijn van hun vrije dag. De bemanning behoudt echter altijd het recht om zich terug te trekken uit de taken en de vrije dagen te beschermen.

Het belang van flexibiliteit en samenwerking

Het planningsproces van menselijke ruimtevluchten is intensief en vereist een nauwe samenwerking tussen de bemanning en verschillende controlecentra wereldwijd. Cruciaal is hierbij de flexibiliteit van de astronauten, die niet alleen de taak hebben om het geplande werk uit te voeren, maar ook om hun eigen voorkeuren en omstandigheden mee te wegen in de uitvoering van die taken. Dit betekent dat, hoewel er een strikte planning is, er altijd ruimte is voor aanpassingen en het maken van keuzes die bijdragen aan het welzijn en de effectiviteit van de bemanning.