EPOS - Simulation von Dockingmanövern

Die letzten 20 Meter der Annäherung des Transferfahrzeuges an die Internationale Raumstation ISS sind die entscheidenden. Deshalb werden die Rendezvous- und Docking-Manöver bezüglich Zeit, Bewegungsablauf, Dimension und Illuminationseffekten im European Proximity Operations Simulator (EPOS) simuliert. 4DE hat im Rahmen der Modernisierung des EPOS-Simulators zentrale Teile des Taktgenerierungssystems, der Kommunikationssoftware sowie der Ansteuerung der einzelnen LCEs (Local Control Electronics) entworfen, realisiert und in die Systemumgebung integriert.

• Ansteuerung der lokalen Steuerelektroniken
• Realisierung eines transparenten I/O-Verkehrs über Reflective-Memory-Netzwerk
• Entwurf und Integration des zentralen Taktgenerierungssystems auf GPS-Basis
• Erstellung einer Softwarebibliothek zur Ansteuerung von Zählerkarten
• Kommunikations-Gateway zwischen Simulationssystem und zentralem Steuerrechner
• Dokumentation für internationales Umfeld
• Weiterentwicklung der Systemplattform
• Taktgenerierungssystem unter VxWorks
• Fernsteuerung der Anlage über TCP/IP

Durch den Einsatz eines europäischen Simulationssystems für Rendezvous- und Docking Manöver wird dem auch in der Raumfahrt steigenden Qualitäts- und Kostendruck Rechnung getragen. Die Hardware-In-The-Loop Simulation bildet die letzten 20 Meter eines Anflugs realitätsnah bezüglich Zeit, Bewegungsablauf, Dimension und Illuminationseffekten nach. Diese Simulation wird unter anderem von den Herstellern der eingesetzten Rendezvous-Sensoren wie z-B- Jena-Optronic oder EADS genutzt. Im Closed-Loop-Betrieb können sogar komplette Docking Szenarien durchgespielt werden, in denen das Zusammenspiel aller betroffenen Komponenten, einschließlich des On-Board-Computers getestet wird.

Kernstück der Anlage ist ein ca. 12m langer Portalroboter, der die Trajektorie des anfliegenden Raumfahrzeugs abfährt. Mittels eines beweglichen Targets werden gleichzeitig die Driftbewegungen der Raumstation simuliert. Als dritte Komponente dient ein Illuminationssystem, das die einfallende Sonneneinstrahlung auf Sensoren bzw. dem Target nachbildet.

Im Rahmen des ESA Projekts ATV, der Entwicklung eines automatisch arbeitenden Versorgungsfahrzeugs für die internationale Raumstation, entstanden neue Anforderungen an die Anlage, die eine komplette Modernisierung erforderlich machten.

Ziele der Modernisierung waren:

Auch während der Modernisierungsarbeiten musste der operative Betrieb jederzeit gewährleistet sein.

Als neuer Steuerungsrechner dient ein verteiltes System aus mehreren Knoten, meist unter dem Echtzeitbetriebssystem VxWorks. Die Kopplung der Knoten erfolgt lokal über ein schnelles, echtzeitfähiges Reflective-Memory-Netzwerk auf Glasfaserbasis. Ferne Rechner werden über das Standardprotokoll TCP/IP angebunden. Die Visualisierung und Bedienung erfolgen mittels einer Applikation unter Windows NT.

Eine Herausforderung war die Implementierung einer gemeinsamen Zeitbasis für alle - auch die entfernten - Rechnerknoten. Die dabei verwendeten Taktsignale im Kilohertzbereich müssen hochgenau synchronisiert werden, damit alle Simulationsachsen exakt gleich laufend bewegt werden können.

Erreicht wird dies durch einen zentralen Taktgenerator, der aus einem 1-kHz-GPS-Signal alle erforderlichen Frequenzen generiert und diese über Lichtwellenleiter an die verschiedenen Knoten verteilt.

4D Engineering hat zentrale Teile des Taktgeneierungssystems entworfen und in die Rechnerumgebung integriert. Unter anderem durch diese Verbesserung der Taktsynchronität konnte die Kommandofrequenz der Anlage von 2Hz auf theoretisch 25 Hz gesteigert werden.

Die Steuerung der Anlage erfolgt auf einem zentralen VxWorks-Rechner, der die Kommandos des Simulationsmoduls in Bewegungskommandos der Achsensteuerungen umsetzt. Diese Kommandos werden über das Reflective-Memory-Netzwerk an die sog. LCE-Rechner (Local Control Electronics) übertragen, die dann die eigentliche Ansteuerung der seriellen und parallelen Schnittstellen der Steuerelektronik übernehmen.

Softwaretechnisch gesehen wurde von 4D Engineering eine Art netztransparenter I/O-Verkehr, ähnlich RPC, implementiert, der neben dem verteilten Zugriff selbst auch die Serialisierung mehrerer Kommandoquellen übernimmt. Auf diese Weise können Applikationen wie die zentrale Steuerung mittels einfacher "Service Calls" Ein- und Ausgabeoperationen zur Steuerelektronik über das Netzwerk durchführen.

Nicht nur die Entwicklung selbst, sondern auch ihre hochwertige Dokumentation nach europäischen Standards ist bei einem ESA-DLR-Projekt von zentraler Bedeutung. Daher wurde zu allen von 4D Engineering realisierten Systemanteilen eine durchgängige englischsprachige Dokumentation mitgeliefert. Diese erstreckt sich über alle Projektphasen - von den Konzeptionsdokumenten bis hin zu Inbetriebnahme- und Betriebshandbüchern.