DE4135034A1 - Einrichtung zur bahnkontrolle von mindestens zwei kopositionierten geostationaeren satelliten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei kopositionierten geostationären Satelliten.

Eine Positionshaltung geostationärer Satelliten, was generell als Station Keeping bezeichnet wird, erfordert aufgrund viel­ fältiger Störkräfte der Erde, der Sonne und des Mondes eine ständige Bahnkontrolle, um einen Satelliten in dem ihm zuge­ wiesenen Toleranzfenster zu halten. Hierbei wird unter Tole­ ranzfenster ein Bereich verstanden, welcher in Länge und Breite um die Nominalposition über dem Äquator mit einer Grö­ ße von üblicherweise ± 0,05° bis ± 0,1° in Länge und Breite festgelegt ist. Unter dem Begriff Bahnkontrolle wird im vor­ liegenden Fall eine Steuerung und Überwachung der translato­ rischen Satellitenbewegung verstanden.

Eine Bahnkontrolle wird durch die aufkommende Praxis er­ schwert, mehrere Satelliten in einem gemeinsamen Toleranzfen­ ster zu betreiben. So werden beispielsweise zur Zeit Astra 1A und 1B auf 19,2° Ost betrieben, wobei eine Vermehrung um Astra 1C und 1D in dem Jahren 1993 und 1994 geplant ist. Die­ se Praxis wird mit Kopositionierung (im englischen Sprachbe­ reich Co-Location) bezeichnet. Für direkt sendende Satelliten hat die WARC (World Administrative Radio Conference) im Jahre 1977 Positionen und Frequenzen vergeben und dabei von der Ko­ positionierung freien Gebrauch gemacht. So wurde beispiels­ weise die Position 19° West (± 0,1° in Länge und Breite) den Raumstationen (Satelliten) von zwölf Ländern, nämlich sieben europäischen und fünf afrikanischen Ländern, zugeteilt.

Für eine Bahnkontrolle zur Positionshaltung sind im wesentli­ chen eine Bahnbestimmung, eine Manöverplanung und eine Manö­ verkalibrierung durchzuführen. Diese Arbeitsgänge sind über die gesamte Lebensdauer eines Satelliten hinweg, üblicherwei­ se sieben bis zehn Jahre, in einem Korrekturzyklus von sieben bis 14 Tagen zu wiederholen.

Bei einer Bahnbestimmung sind generell die Parameter bzw. Bahnelemente eines vorgegebenen Bahnmodells, welches die Sa­ tellitenbewegung mathematisch beschreibt, so zu bestimmen, daß die von einer oder mehreren Bodenstationen durchgeführten Winkel- und Entfernungsmessungen, welche als Trackingdaten bezeichnet werden, durch das Modell möglichst genau darge­ stellt werden. Wenn die Bahnelemente zu einem Referenzzeit­ punkt, der als Epoche bezeichnet wird, einmal bekannt sind, lassen sich daraus die Ortskoordinaten und Geschwindigkeits­ komponenten, d. h. der Zustandsvektor, für jeden gewünschten Zeitabschnitt als Funktion der Zeit rekonstruieren bzw. vor­ hersagen.

Unter Bahnmanövern werden Geschwindigkeitsänderungen des Sa­ telliten verstanden, die durch An- und Abschalten von ausge­ wählten, satelliteneigenen Schubdüsen erreicht werden. Düsen­ anordnungen erlauben üblicherweise Schübe in Nord/Süd- und in Ost/West-Richtung. Dabei ändern sich auch die Bahnelemente in berechenbarer Weise. Aufgrund der Bahnvorhersage können Kor­ rekturmanöver so geplant werden, daß gewisse, durch eine Po­ sitionshaltungsstrategie vorgeschriebene Zielbahn-Elemente erreicht und damit Verletzungen des Toleranzfensters oder na­ he Begegnungen mit anderen Satelliten vermieden werden.

Durch eine Manöverkalibrierung werden aus den Trackingdaten eines Zeitintervalls nicht nur die Bahnelemente, sondern zu­ sätzlich auch Schubkomponenten der in diesem Intervall durch­ geführten Manöver bestimmt und mit Sollwerten verglichen. Durch eine Manöverkalibrierung können die gefundenen Abwei­ chungen bei künftigen Manöverplanungen berücksichtigt werden, und so kann die Genauigkeit verbessert werden.

Die gegenwärtig eingesetzten Verfahren zur Bahnkontrolle wei­ sen speziell die folgenden Nachteile auf:

• 1. Eine Bahnkontrolle zur Positionshaltung wird derzeit in vielen operationellen Schritten durchgeführt, welche in der Regel nacheinander durch Aufruf einzelner Rechenpro­ gramme mit jeweils relativ beschränktem Funktionsumfang ausgeführt werden.
• 2. Im Bahnbestimmungsprozeß werden Manöver, welche zur Bahn­ haltung notwendig sind, nicht oder nur eingeschränkt be­ rücksichtigt. Zur Kalibrierung des Manövers müssen deshalb unabhängige Bahnbestimmungen vor und nach dem Manöver durchgeführt werden, was einen Trackingzeitraum von rund zwei Tagen jeweils vor und nach dem Manöver erfordert. Folglich ist eine schnelle Reaktion auf Ausführungsfehler oder andere Störfalle nicht möglich, was umso wichtiger ist, je mehr Satelliten in einem gemeinsamen Fenster posi­ tioniert sind. Hierunter leidet auch die Kalibrierungsge­ nauigkeit, und der operationelle Aufwand wird durch den Zwang zur Durchführung mehrerer verschiedener Programmläu­ fe und der entsprechend vermehrten Verwaltung der Ergeb­ nisse erschwert und erhöht.
• 3. Die Planung von Positionshaltungs-Manövern, den sogenann­ ten Station-Keeping-Manövern, ist auf den Betrieb einzel­ ner Satelliten ausgelegt und dient im wesentlichen der Vermeidung von Fensterverletzungen. Strategien zur Vermei­ dung naher Begegnungen bei mehreren Satelliten im gemein­ samen Fenster sind nicht berücksichtigt.
• 4. Bekannte, systematische Manöver-Ausführungsfehler können bei der Manöverplanung nicht berücksichtigt werden. Daraus resultiert eine Unsicherheit in der Vorhersage der Satel­ litenposition und zwingt bei kopositionierten Satelliten dazu, die Sicherheitsabstände zu vergrößern. Dies hat wie­ derum zur Folge, daß Manöver zur Vermeidung der Unter­ schreitung dieser Sicherheitsabstände häufiger durchzufüh­ ren sein werden. In gleicher Weise wirken sich auch schlecht kalibrierte Manöver aus.
• 5. Bahninformationen zu einer Manöverplanung, einer Stations­ vorhersage bezüglich des zeitlichen Verlaufs der Rich­ tungswinkel der Bodenantenne zum Satelliten, einer Vorher­ sage von Schattendurchgangszeiten und von Zeitbereichen, in denen Störeinwirkungen durch Sonne und Mond auf die In­ frarot-Erdsensoren möglich sind, usw. werden in Form von Ephemeriden verwaltet. Dies sind Listen, die Position und Geschwindigkeit des Satelliten in diskreten Zeitschritten enthalten. Aufgrund ihres Umfangs sind derartige Ephemeri­ den speicherplatzintensiv und aufwendig zu handhaben. Eine schnelle Beurteilung des physikalischen Informationsgehal­ tes solcher Ephemeridenlisten hinsichtlich Bahnstörungen, Manövern, u. ä. wird durch die hohe Redundanz eher verhin­ dert als erleichtert. Dies gilt speziell in unerwartet und zeitkritischen Situationen.
• 6. Ein Austausch und Vergleich von Bahninformationen zwischen verschiedenen Kontrollzentren ist nicht als integrierter Bestandteil des Bahnkontrollprozesses vorgesehen, da die bisher verwendeten Verfahren nur für einzelne Satelliten entwickelt wurden. Dagegen erfordert der Betrieb mehrerer Satelliten in einem gemeinsamen Fenster durch verschiedene Kontrollzentren spezielle Schnittstellen zur Weitergabe und zum Empfang von Bahninformation in einer Form, welche tolerant gegen systematische Modellierungsfehler unter­ schiedlicher Bahnkontrollsysteme ist.

Gemäß der Erfindung soll daher eine Einrichtung zur Bahnkon­ trolle von mindestens zwei kopositionierten geostationären Satelliten geschaffen werden, mit welcher schnell und zuver­ lässig auf Ausführungsfehler und Störfälle reagiert wird, na­ he Begegnungen von mehreren Satelliten weitestgehend vermie­ den sind, sowie ein Austausch und Vergleich von Bahninforma­ tion zwischen verschiedenen Kontrollzentren bequem durchzu­ führen ist. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Einrich­ tung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei, d. h. zwei oder mehr kopositionierten geostationären Satelliten durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bahnkontrolle von zwei oder mehr kopositionierten geostatio­ nären Satelliten liegt in der modularen Aufteilung der Bahn­ kontrolle in vier unabhängige Funktionsblöcke, welche im fol­ genden auch als Kernmodule bezeichnet werden, nämlich in Funktionsblöcke zur

• a) Bahnbestimmung und Manöverschätzung bzw. Manöverkalibra­ tion;
• b) Manöverplanung,
• c) Überwachung der Relativbewegung und
• d) Vorhersage spezieller Ereignisse.

Ergänzt wird die modulare Aufteilung der Bahnkontrolle in die vier unabhängigen Funktionsblöcke durch deren Verbindung zum Austausch von Bahninformationen über eine speziell entworfene Orbit-Datenbank. Ferner ist der Funktionsumfang der Kernmodu­ le und die Art ihrer Ergebnisdarstellung speziell für die Be­ dürfnisse der Bahnkontrolle kopositionierter Satelliten aus­ gelegt.

Obwohl die erfindungsgemäße Einrichtung für den Betrieb einer beliebigen Anzahl kopositionierter Satelliten ausgelegt ist, ist zur Zeit die maximale Anzahl durch den heutigen Stand der Bahnvermessungs- und Manöverausführungsgenauigkeit sowie durch eine fehlende Automatisierung von Steuerabläufen auf etwa zehn Satelliten begrenzt. Da ferner bei der erfindungs­ gemäßen Einrichtung nur wenige Benutzer-Schnittstellen erfor­ derlich sind, ist dadurch der operationelle Aufwand reduziert und gleichzeitig die Sicherheit erhöht. Darüber hinaus werden alle für eine Beurteilung wesentlichen Ergebnisse stets auto­ matisch erzeugt. Ferner kann die Genauigkeit einer Bahnvor­ hersage zusätzlich durch eine integrierte Bahn- und Manöver­ schätzung, eine verbesserte Manöverkalkulation sowie durch eine Berücksichtigung von systematischen Koppeleffekten der Manöver ganz beachtlich gesteigert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Orbit-Da­ tenbank eine Scratch-Datenbank zur Ablage aller laufenden Or­ bit-Datenbanksätze sowie eine Best-Knowledge-Datenbank zur Aufnahme nur der bestbekannten Bahn- und Manöverinformationen auf. Zur Unterstützung des Managements für die Datenbank kön­ nen zusätzlich Bildschirmmasken sowie automatische Prozesse vorgesehen werden, wobei insbesondere aus der Best-Knowledge- Datenbank alle veralteten Datensätze automatisch ausgesondert und die Datensätze automatisch chronologisch sortiert werden.

Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Bahn einschließlich aller zurückliegender Manöver aus der Best- Knowledge-Datenbank für Nachanalysen und für allgemeine Doku­ mationszwecke vollständig rekonstruiert werden. Durch die Verwendung der "Best-Knowledge-Datenbank" kann eine Bahnvor­ hersage einschließlich aller bekannten Manöver in einem vor­ gegebenen Zeitbereich durchgeführt werden. Zusätzlich werden alle quantitativen Bahnbestimmungsergebnisse auf einem soge­ nannten "Summary Sheet" sowohl für eine manuelle als auch eine maschinelle Auswertung zusammengefaßt. Obendrein wird ein automatisch skalierter, sogenannter Resuiduenplot mit einer Kennzeichnung der Manöverzeiten zur Beurteilung der Güte der Bahnbestimmung durch den Benutzer bereitgestellt.

Auch kann der Bahnverlauf in Form eines sogenannten "Station- Keeping-Plots" auf einer einzigen Seite übersichtlich darge­ stellt werden. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Einrich­ tung die Möglichkeit gegeben, mehrere Korrekturzyklen im vor­ aus zu planen und auf diese Weise die an sich unerwünschten Koppeleffekte vorteilhaft auszunutzen; der Benutzer kann dann den Planungserfolg durch die gewohnte Darstellung im "Station-Keeping-Plot" beurteilen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist für jeden kopositionierten oder zeitweise benachbarten Sa­ telliten eine eigene Best-Knowledge-Orbit-Datenbank einge­ richtet.

Ferner kann ein Benutzerinterface für einen sogenannten Im­ port externer und für einen sogenannten Export eigener Bahn­ information in einem abgestimmten Format vorgesehen werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Relativgeometrie der Bahnbewegung kopositionierter oder zeitweise benachbarter Sa­ telliten ergänzt werden. Zur Überwachung der Einhaltung einer Separationsstrategie durch die einzelnen Satelliten ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein integrierter Plot von sogenannten Exzentrizitäts-, (e)- und Inklinaitons-, (i)-Vek­ toren aller beteiligten Satelliten vorgesehen.

Ferner kann durch die erfindungsgemäße Einrichtung das even­ tuell künftige Auftreten naher Begegnungen paarweise für alle beteiligten Satelliten überprüft werden, und bei einer Unter­ schreitung von Toleranzgrenzen, beispielsweise des Minimalab­ stands, werden automatisch zusätzliche Plots zur Datenanalyse erzeugt.

Durch ein zusätzlich vorgesehenes Manöverplanungs-Modul kann auch die Berechnung von Kollisions-Vermeidungsmanövern durch­ geführt werden. Darüber hinaus können mit der erfindungsgemä­ ßen Einrichtung die Bahnen aller beteiligten Satelliten und ihre Relativgeometrie im gesamten in den Datenbanken abgedeck­ ten Zeitintervall aus den Best-Knowledge-Datenbanken für be­ liebige Zeitausschnitte, beispielsweise zu Analysezwecken automatisch generiert werden.

Durch die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ge­ schaffene Struktur ist somit die Grundlage und Voraussetzung geschaffen, um eine Bahnbestimmung ohne irgendeinen menschli­ chen Eingriff im Rahmen eines Expertensystems vollautomatisch durchzuführen. Hierzu sind auch Menümasken der Benutzer-Ober­ fläche in einer charakteristischen Art gestaltet und gleich­ zeitig mit einem entsprechend angepaßten Software-System ver­ sehen.

Die Erfindung kann mit Vorteil auch zur Bahnkontrolle von Einzelsatelliten eingesetzt werden. Sie bietet dem Nutzer die Möglichkeit eines kohärenten Übergangs der Bahnkontrolle von einem Satelliten zu mehreren kopositionierten Satelliten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bahnkontrolle von kopositionierten, geostationären Satelliten;

Fig. 2 ein Blockdiagramm von Arbeitsschritten zur Durch­ führung einer Bahnbestimmung und einer Manöver-Ka­ librierung;

Fig. 3 ein Beispiel eines Ablaufdiagramms einer Manöver­ planung;

Fig. 4 ein Beispiel eines Teils einer Orbit-Datenbank, wobei das Erscheinungsbild eines Datensatzes in einer speziellen Bildschirmmaske wiedergegeben ist;

Fig. 5 einen weiteren Ausschnitt einer Orbit-Datenbank welcher zur Definition von Parametern und deren Anordnung vorgesehen ist;

Fig. 6 ein Beispiel eines Summery Sheet der Bahnbestim­ mung und Manöverschätzung mit drei geschätzten Komponenten eines Nord/Süd-Manövers;

Fig. 7 ein Beispiel eines weiteren Summery Sheet der Bahnbestimmung und Manöverschätzung mit zwei ge­ schätzten und einer vorgegebenen Komponente eines Ost/West-Manövers und mit drei vorgegebenen Kompo­ nenten eines Nord/Süd-Manövers;

Fig. 8 eine beispielshafte Wiedergabe eines Residuen­ plots zur Beurteilung von Bahnbestimmungsergebnis­ sen;

Fig. 9 eine beispielshafte Wiedergabe eines Positionshal­ tungs- oder Station-Keeping-Plots für einen Kor­ rekturzyklus;

Fig. 10 ein weiteres Beispiel eines Positionshaltungs­ plots für eine Vorausplanung einer Reihe von Kor­ rekturzyklen mit jeweils einem Nord/Süd- und je­ weils nur einem darauffolgenden Ost/West-Manöver und

Fig. 11 ein Darstellungsbeispiel eines sogenannten Proxi­ mity-Plots für zwei Satelliten.

In Fig. 1 ist schematisch in Form eines Blockdiagramms eine Datenbank 1 dargestellt, welcher vier unabhängige Funktions­ blöcke zugeordnet sind, nämlich ein Funktionsblock 2 zur Bahnbestimmung und Manöverschätzung bzw. Manöverkalibration, ein Funktionsblock 3 zur Manöverplanung, ein Funktionsblock 4 zur Überwachung der Relativbewegung sowie ein Funktionsblock 5 zur Vorhersage spezieller Ereignisse.

Durch die Datenbank 1 werden Bahn- und Manöverinformationen als Ergebnis von Bahnbestimmungen mit Manöverplanungen in einer kompakten und überschaubaren Weise verwandelt; gleich­ zeitig repräsentiert die Datenbank jederzeit den aktuellen Kenntnisstand des Bahnverlaufs. Diese Informationen sind dann ausreichend, um den kontinuierlichen Bahnverlauf zu regenerie­ ren. Ferner kann aus der Datenbank 1 jeder der vier Funktions­ blöcke 2 bis 5 mit Bahninformationen versorgt werden, welche für die jeweilige Aufgabe benötigt werden. Von der Benutzer­ oberfläche aus können dann mittels spezieller Softwaremodule mit einem minimalen Eingabeaufwand seitens des Benutzers In­ formationen an die Funktionsblöcke 2 bis 5, welche auch als Kernmodule bezeichnet werden, übertragen und diese dadurch gestartet werden. Durch diese Maßnahme können Fehler vermie­ den und eine Rationalisierung sowie eine operationelle Si­ cherheit erzeugt werden. Hierdurch können auch nutzerspezi­ fische Module über die Datenbank-Schnittstelle angebunden werden, ohne daß dadurch die Funktion der Kernmodule beein­ trächtigt wird oder verändert werden muß.

Ein Ausschnitt der Orbit-Datenbank 1 ist in Fig. 4 wiedergege­ ben, wobei das Erscheinungsbild eines Datensatzes in einer mit "DECforms" (Bezeichnung einer Maskengenerierungssoftware der Firma Digital Equipment) erzeugten Bildschirmmaske wie­ dergebeben ist, weshalb die Erläuterungen in Englisch wieder­ gegeben sind.

Die Orbit-Datenbank 1 besteht aus einer Folge von Datensätzen, welche im wesentlichen zur Speicherung der folgenden Informa­ tionen über einen zeitlich begrenzten Bahnabschnitt dienen, wie
Epoche bzw. Referenzzeitpunkt;
Zustandsvektor, Bahnelemente und Satellitenlänge zur Epo­ che;
Satellitenparameter, wie Fläche, Masse, Strahlungsdruck- Koeffizient u.ä. und
Manöver, wie Zeit und Geschwindigkeitsinkremente, nach der Epoche.

Ein Beispiel einer solchen Folge von Datensätzen in der Or­ bit-Datenbank 1 ist in Fig. 5 wiedergegeben, wobei es sich um einen Ausdruck von bei einem praktischen Versuch erhaltenen Informationen handelt, weshalb die verschiedenen Angaben in den als Beispiel wiedergegebenen Datensätzen in englischer Sprache wiedergegeben sind. In Fig. 5 ist die Definition der Parameter und deren Anordnung im ASCII-Format wiedergegeben, wobei zwei Datensätze gezeigt sind, und zwar im oberen Be­ reich mit zwei geschätzen Manövern (Maneuvers:2) und im unte­ ren Bereich ohne Manöver (Maneuvers:0).

Um den operationellen Anforderungen besser gerecht zu werden, ist die Orbit-Datenbank 1 in zwei Datenbanken aufgeteilt, welche im folgenden als Scratch-Datenbank und als Best-Know­ ledge-Datenbank bezeichnet sind. Hierbei dient die Scratch- Datenbank dazu, kurzfristig, beispielsweise während eines Po­ sitionshaltungs- oder Station-Keeping-Zyklus, verschiedene Bahnbestimmungs- und Manöverplanungs-Ergebnisse zu speichern und für Vergleichs- und Analysezwecke bereitzuhalten. Die Best-Knowledge-Datenbank enthält dagegen eine chronologisch geordnete Folge von Datensätzen, welche zu jeder Zeit den besten Kenntnisstand des Bahnverlaufs einschließlich aller Manöver wiedergeben.

Zur Schaffung der Best-Knowledge-Datenbank werden diejenigen Datensätze der Scratch-Datenbank in die Best-Knowledge-Da­ tenbank integriert, welche dem - nach Ansicht des Anwenders - besten Bahnbestimmungsergebnis oder der aktuellen Manöverpla­ nung entsprechen oder welche von externen Kontrollzentren für deren Satelliten zur Verfügung gestellt wurden. Bei der Über­ tragung von neuen Datensätzen von der Scratch- an die Best- Knowledge-Datenbank wird der Benutzer weitestgehend durch Bildschirmmasken und zusätzliche Software-Module unterstützt, durch welche beispielsweise die Datensätze automatisch chro­ nologisch sortiert und veraltete oder ungültig gewordene Da­ tensätze aus der Best-Knowledge-Datenbank automatisch ausge­ sondert werden.

Auf diese Weise ist der Best-Knowledge-Datenbank jederzeit der bestmögliche Überblick über den bisherigen sowie zukünf­ tigen Bahnverlauf eines Satelliten zu entnehmen. Durch Vorse­ hen jeweils einer derartigen Datenbank für jeden der betei­ ligten Satelliten kann die Relativgeometrie lückenlos über­ wacht werden.

Darüber hinaus ist durch die Orbit-Datenbank bzw. durch die Scratch- und die Best-Knowledge-Datenbank ein einfacher Zu­ griff auf sämtliche Informationen möglich, welche zur Durch­ führung einer Bahnbestimmung oder Manöverplanung benötigt werden. Hierdurch ist eine weitestgehende Entflechtung der einzelnen Funktionsblöcke eines Bahnkontrollprozesses er­ reicht. Es entsteht dann ein offenes System, in welchem sämt­ liche Datenströme klar definiert und auf ein Minimum be­ schränkt sind.

Im Rahmen einer Bahnbestimmung ist vor allem eine integrierte Manöverschätzung wesentlich, welche eine konsistente Behand­ lung längerer Bahnabschnitte ermöglicht. Hierbei ist eine Ka­ libration automatisch dadurch ermöglicht, daß die Komponenten des geplanten Manövers in ein sogenanntes Summary Sheet, wel­ ches nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, übertragen werden. Durch eine unbeschränkte Wahlmöglichkeit zur Schät­ zung oder festen Vorgabe der einzelnen Manöverkomponenten kann eine korrekte Ausführung von Manövern in wenigen Stunden statt, wie bisher, in ein bis zwei Tagen überprüft werden, und es kann gegebenenfalls schnell auf Störfälle reagiert werden.

Die Effizienz jedes der vier Funktionsblöcke oder Kernmodule 2 bis 5 wird weiterhin durch eine besondere komprimierte Zu­ sammenfassung der Bahnbestimmungs-Ergebnisse in schriftlicher und grafischer Form gesteigert. Für die quantitative Beurtei­ lung werden nach Typen geordnete Trackingdaten und deren Zeitspanne, Manöverzeiten und Manöverkomponenten sowie Bahn­ elemente und ein Zustandsvektor in den bereits erwähnten Summary Sheets zusammengefaßt, wie sie beispielsweise in Fig. 6 und 7 als Beispiele wiedergegeben sind. Hierbei ist in Fig. 6 das Summary Sheet der Bahnbestimmung und Manöverschät­ zung dargestellt, wobei in dem gewählten Beispiel drei ge­ schätzte Komponenten eines Nord/Süd-Manövers gezeigt sind. In Fig. 7 ist ein weiteres Summary Sheet der Bahnbestimmung und Manöverschätzung dargestellt, wobei als Beispiel zwei ge­ schätzte und eine vorgegebene Komponente eines Ost/West-Manö­ vers sowie drei vorgegebene Komponenten eines Nord/Süd-Manö­ vers wiedergegeben sind. Da es sich bei den Summary Sheets in Fig. 6 und 7 wiederum um einen Rechnerausdruck handelt, sind die einzelnen Bezeichnungen auch in diesem Fall wieder in englischer Sprache erfolgt. Das Summary Sheet, für das mit Fig. 6 und 7 zwei Beispiele gegeben sind, gibt in kompakter Form Auskunft über die Werte sämtlicher Schätzparameter und deren statistische Unsicherheit, die vom Kernmodul 2 gelie­ fert werden.

Zur Beurteilung der Güte verschiedener Trackingdaten werden sogenannte Residuen, welche beobachtete minus berechnete Meß­ werte wiedergeben, über ein Trackingintervall graphisch dar­ gestellt. Ein Beispiel für solche Trackingdaten ist ein in Fig. 8 wiedergegebenes, sogenanntes Residuen-Plot, das zur Be­ urteilung von Bahnbestimmungs-Ergebnissen herangezogen wird. In dem Residuen-Plot der Fig. 8 sind die Residuen der Winkel­ werte Azimut und Elevation der Station 3246 und die Entfer­ nungswerte (Range) der Station 3247 dargestellt. Durch die Vertikallinien in den Feldern sind die Zeitpunkte von zwei Manövern markiert, welche am 19. und 22. August 1991 durchge­ führt worden sind. Da es sich bei dem Residuen-Plot in Fig. 8 um einen Rechnerausdruck handelt, sind die einzelnen Bezeich­ nungen ebenfalls wieder in englischer Sprache wiedergegeben.

Zur Beurteilung des weiteren Bahnverlaufs werden sämtliche, für eine Bahnkontrolle wichtigen Informationen, wie bei­ spielsweise ein oskulierender und mittlerer Exzentrizitäts­ vektor ein Inklinationsvektor, eine Bewegung in Länge und Breite usw. in einem Schaubild zusammengefaßt. Ein solches Schaubild ist in Form eines Postitionshaltungs- bzw. Station- Keeping-Plot in Fig. 9 für einen ganz bestimmten Korrekturzy­ klus wiedergegeben, wobei die einzelnen Angaben in englisch eingetragen sind.

Die für eine weitere Bahnkontrolle relevante Bahninformation wird darüber hinaus in Form eines Datenbanksatzes zur Verfü­ gung gestellt, welcher unmittelbar an die Scratch-Datenbank angefügt ist. (Siehe Fig. 5). Ein solcher Datenbanksatz ent­ hält die ermittelten Epoche-Bahnelemente und die in einem Trackingdaten-Intervall eingeschlossenen Manöver. Hierbei sind geschätzte Manöverkomponenten mit einem Stern (*) mar­ kiert, welcher bei vorgegebenen Komponenten fehlt (siehe hierzu den oberen Datensatz in Fig. 5). Zusätzlich wird auf Anforderung des Benutzers ein zweiter Datensatz erzeugt, wel­ cher für eine zukünftige Epoche gilt, was dem unteren Daten­ satz in Fig. 5 zu entnehmen ist. Dieser Datensatz kann bei­ spielsweise so gewählt werden, daß er Zeitpunkt und Anfangs­ bahnelemente der nächsten geplanten Bahnbestimmung enthält.

Die zur Durchführung einer Bahnbestimmung und einer Manöver­ kalibrierung notwendigen Arbeitsschritte reduzieren sich da­ durch insgesamt auf die Auswahl eines Datenbanksatzes mit den gewünschten Ausgangsdaten, auf die Spezifikation des Tracking- Intervalls, auf den Start des Bahnbestimmungsprogramms und auf die Bewertung der Ergebnisse. Ein Beispiel für die durch­ zuführenden, notwendigen Arbeitsschritte ist durch ein in Blockform wiedergegebenes und in sich verständliches Arbeits­ diagramm in Fig. 2 wiedergegeben.

Die von dem Funktionsblock 2 bzw. dem Bahnbestimmungsmodul 2 ebenfalls gelieferten, detaillierten Ergebnisprotokolle brau­ chen nur im Ausnahmefall zur Bewertung herangezogen werden. Die in Fig. 2 schematisch wiedergegebene Struktur stellt dar­ über hinaus die Grundlage zu einer vollständig automatischen Bahnbestimmung ohne irgendeinen menschlichen Eingriff im Rah­ men eines Expertensystems dar. In diesem Fall kann die Bewer­ tung vollständig anhand der im Summary Sheet (siehe Fig. 6 und 7) zur Verfügung gestellten Information erfolgen.

Bei einer Manöverplanung wird eine Bahnkontrolle in zeitli­ chen Zyklen durchgeführt. Am Ende jedes Zyklus sollen be­ stimmte Zielbahn-Elemente erreicht werden, welche normaler­ weise durch eine Positionshaltung-Strategie vorgegeben sind, oder im Einzelfall auch vom Benutzer festgelegt werden können. Ein Zyklus kann mehrere Ost/West- und Nord/Süd-Manöver ent­ halten.

Mittels des Funktionsblocks 5 bzw. des Manöverplanungs-Moduls 5 wird eine Bahninformation aus der Datenbank abgerufen, und ohne Rückgriff auf den Funktionsblock 2, bzw. das Bahnbestim­ mungs-/Vorhersagemodul wird die zukünftige Bahn ermittelt. Aus einem Vergleich mit Zielbahnelementen lassen sich dann in einheitlicher Weise sowohl Ost/West- wie auch Süd/Nord-Kor­ rekturmanöver bestimmen. Dabei werden durch ein Manöver-Be­ rechnungsverfahren bekannte Koppeleffekte berücksichtigt, welche in Form von Koeffizienten in einer satellitenspezifi­ schen Datei abgespeichert sind, und von Zeit zu Zeit entspre­ chend den Kalibrationsergebnissen vom Benutzer auf den aktu­ ellen Stand gebracht werden.

Die Zielbahnelemente werden von der Positionshaltungsstrate­ gie so bestimmt, daß für alle Satelliten einerseits das To­ leranzfenster eingehalten wird, andererseits ein größtmögli­ cher Sicherheitsabstand gewährleistet wird. Bei eventuell notwendig werdenden Ausweichmanövern oder bei Umpositionie­ rungen kann dann der Benutzer der Situation angepaßte Manö­ verfolgen und Zielelemente vorgeben.

Die Ergebnisse der Manöverplanung werden in dem bereits mit der Bahnvorhersage erwähnten, speziell entworfenen sogenann­ ten Positionshaltungs- bzw. Station-Keeping-Plot graphisch dargestellt; ein Beispiel eines solchen Station-Keeping-Plots für einen Korrekturzyklus ist in Fig. 9 dargestellt, wobei ebenfalls wieder die Bezeichnungen in englischer Sprache an­ gegeben sind. Die Auswahl der Parameter, ihre Darstellung in Teildiagrammen, deren automatische Skalierung und deren An­ ordnung wie sie in Fig. 9 dargestellt sind, sind speziell auf die Bedürfnisse der Verifikation der Positionshaltungs-Manö­ verstrategie und der Haltung des Satelliten in einem Tole­ ranzfenster zugeschnitten. Alle für die Positionshaltung des Einzelsatelliten wesentlichen Parameter sind auf dem eine Seite beanspruchenden Station-Keeping-Plot beispielsweise der Fig. 9 übersichtlich dargestellt.

Aufgrund der Option, mehrere Korrekturzyklen im voraus zu planen und darstellen zu können, können an sich unerwünschte Koppeleffekte, wie beispielsweise zum Erdzentrum gerichtete Manöverkomponenten, zur Exzentrizitätssteuerung ausgenutzt und auf diese Weise mit einem tolerierbaren, zusätzlichen Planungsaufwand Ost/West-Manöver eingespart werden, wie bei­ spielsweise dem in Fig. 3 dargestellten, schematisierten Ab­ laufdiagramm ohne weiteres zu entnehmen ist.

In Fig. 10 ist das Ergebnis einer solchen Vorausplanung für sechs Korrekturzyklen in einem Zeitraum von 78 Tagen darge­ stellt, wobei wiederum die Beschriftung der einzelnen Dia­ gramme in englisch abgefaßt ist. Durch die in Fig. 10 wieder­ gegebene Vorausplanung ist eine Serie von Korrekturzyklen mit jeweils einem Nord/Süd-Manöver und jeweils nur einem - statt normalerweise zwei - darauffolgenden Ost/West-Manö­ ver dargestellt. Hierbei kann das jeweils zweite Ost/West-Ma­ növer zur e-Vektor-Kontrolle dadurch eingespart werden, daß die radialen Koppelkomponenten der Nord/Süd-Manöver ausge­ nutzt werden. Dem Station-Keeping-Plot der Fig. 10 ist zu ent­ nehmen, daß der Satellit im vorgesehenen Toleranzfenster bleibt, wobei der e- und i-Vektor die Strategievorgaben in­ nerhalb tolerabler Grenzen einhalten.

Einen weiteren, wesentlichen Bestandteil des Bahnkontrollsy­ stems stellt schließlich die Bestimmung der Relativgeometrie der Bahnbewegung benachbarter Satelliten dar. Hierbei können die benachbarten Satelliten auf Dauer kopositionierte oder nur zeitweise benachbarte Satelliten sein, beispielsweise beim Umpositionieren oder beim Einphasen neuer und Ausphasen ausgedienter Satelliten. Die Überwachung der Relativgeometrie wurde bisher durch die fehlende Möglichkeit einer gemeinsamen Verwaltung von Bahn- und Manöverinformationen erschwert; eine solche Überwachung kann nunmehr jedoch mit Hilfe der Best- Knowledge-Datenbanken für mehrere Satelliten ohne nennenswer­ te Schwierigkeiten realisiert werden. Die frühere Notwendig­ keit, den langfristigen Bahnablauf durch einen einzelnen Zu­ standsvektor sowie eine anschließende Folge von Manövern be­ schreiben zu müssen, entfällt. Statt dessen steht zu jedem Zeitpunkt die jeweils beste Bahninformation zur Verfügung, so daß auch die Relativbewegung mit größtmöglicher Sicherheit vorhergesagt und nachvollzogen werden kann. Einschränkungen hinsichtlich der zeitlichen Verteilung der Zustandsvektor-In­ formation für die einzelnen Satelliten ergeben sich hierbei nicht.

Die Benutzeroberfläche des Funktionsblockes 4 zur Überwachung der Relativbewegung erlaubt einen Import externer Bahninfor­ mationen, deren Umrechnung in das interne Format der Orbit- Datenbank 1 sowie auch einen Export von Bahninformation zu externen Kontrollstellen in einem abgestimmten Format. Ein integrierter Plot des e- und i-Vektors aller beteiligten Sa­ telliten erlaubt die Überwachung der Einhaltung der Separa­ tionsstrategie durch die einzelnen Satelliten.

Das eventuelle künftige Auftreten naher Begegnungen wird von der erfindungsgemäßen Einrichtung paarweise für alle betei­ ligten Satelliten geprüft, und bei einer Verletzung von Si­ cherheitsabständen wird jeweils ein weiterer Plot zu einer weiteren Risikobewertung erzeugt. In einem solchen Plot, für den in Fig. 11 ein Beispiel gegeben ist, sind neben dem ge­ samten Relativabstand auch dessen Zusammensetzung aus drei Raumrichtungen sowie im unteren Teil von Fig. 11 die Zeitpunk­ te und Richtung der zurückliegenden sowie der geplanten Manö­ ver der beiden Satelliten dargestellt. Außerdem werden durch senkrechte Linien im unteren Teil von Fig. 11 die Zeitpunkte markiert, von welchen an ein neuer Bahnelemente-Datenbanksatz für die Satelliten A und B vorliegt. Zur Planung von Vermei­ dungsmanövern wird der Funktionsblock 3 bzw. das Manöverpla­ nungsmodul 3 verwendet, dessen Funktionsumfang die erforder­ lichen Optionen anbietet.

Diese Vorgehensweise wird bei Bedarf auf die Überwachung an­ derer Ereignisse ausgeweitet, welche sich aus der Relativbe­ wegung und der Nachbarschaft mehrerer Satelliten ergeben. Solche Ereignisse können beispielsweise Störsignale in Infra­ rot-Erdsensoren oder Abschattungen der Nachrichten-Verbin­ dungen zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation sein.

Wie bereits in Verbindung mit Fig. 1 ausgeführt, dient der Funktionsblock 5 der Vorhersage spezieller Ereignisse und von Epheremiden. Zu solchen speziellen Ereignissen gehören Durch­ gänge eines Satelliten durch Schattenzonen von Erde und Mond, eine Durchquerung der Sonne durch die Empfangskeule der auf den Satelliten gerichteten Bodenantenne sowie die in der Re­ gel störenden Durchgänge von Erde und Mond durch die Ge­ sichtsfelder der zur Lageregelung verwendeten Infrarot-Erd­ sensoren der Satelliten.

Hierbei wird auf bekannte Berechnungsverfahren zurückgegrif­ fen. Der Aufruf sowie die Durchführung der Bahnvorhersage un­ ter Verwendung der Best-Knowledge-Datenbank einschließlich aller bekannter Manöver im fraglichen Zeitpunkt ist erst bei der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch ermöglicht, daß der Datenbank der Funktionsblock 5 zur Vorhersage spezieller Er­ eignisse zugeordnet ist. Durch das Vorsehen und Zuordnen des Funktionsblockes 5 ist auch die Rekonstruktion einer Bahn einschließlich aller zurückliegenden Manöver aus der Best- Knowledge-Datenbank für eine Nachanalyse und für allgemeine Dokumentationszwecke ermöglicht. Diese Art einer Schnittstel­ le zum Anschluß von Programmen des Benutzers, beispielsweise zur Berechnung von Zeitbereichen, in welchen Störeinwirkungen durch Sonne und Mond auf die Infrarot-Sensoren auftreten kön­ nen oder beispielsweise für die Vorbereitung der Rückkehr in die normale Lage des Satelliten nach einem Lageverlust ist erst bei der erfindungsgemäßen Einrichtung vorgesehen und er­ möglicht.

Als wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bahnkontrolle von kopositionierten, geostationären Satel­ liten können somit folgende Punkte festgehalten werden:
eine Entflechtung der einzelnen Aufgabenteile sowie der Datenströme;
eine Minimierung der Benutzer-Schnittstellen;
eine Steigerung der Präzision durch eine integrierte Bahnbestimmung und eine Manöver­ schätzung, wahlweise eine Schätzung oder eine Vorgabe jeder Komponente jedes Manövers, eine verbesserte Manöverkalkulation und eine Berücksichtigung der systematischen Koppeleffekte bei einer Manöverplanung;
eine spezielle Auslegung für kopositionierte Satelliten;
eine Verringerung des Archivierungsaufwands;
eine Erhöhung der operationellen Sicherheit und
eine Verminderung des operationellen Aufwandes.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei koposi­ tionierten, geostationären Satelliten, gekenn­ zeichnet durch ein einziges Interface in Form einer Orbit-Datenbank (1) zum Austausch von Bahn- und Manöverinformation zwischen vier un­ abhängigen, entkoppelten Funktionsblöcken (2 bis 5) eines Bahnkontrollsystems mit einem abgestimmten Funktionsumfang, nämlich einem ersten Funktionsblock (2) zur Bahnbestimmung und Manöverschätzung/Manöverkalibration, einem zweiten Funk­ tionsblock (3) zur Manöverplanung, einem dritten Funktions­ block (4) zur Überwachung der Relativbewegung und einem vier­ ten Funktionsblock (5) zur Vorhersage von speziellen Ereig­ nissen und Ephemeriden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Einheit zur Darstellung von Ereignissen in kompak­ ter Form.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Orbit-Datenbank (1) eine Scratch-Da­ tenbank zur Ablage aller laufenden Orbit-Datenbanksätze und eine Best-Knowledge-Datenbank zur Aufnahme nur der bekannten Bahn- und Manöverinformation aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für jeden kopositionierten oder zeitwei­ se benachbarten Satelliten eine eigene Best-Knowledge-Orbit- Datenbank eingerichtet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Benutzerinterface für einen Import externer Bahn­ information und für einen Export einer eigenen Bahninformati­ on in einem abgestimmten Format.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einheit zur Bestimmung einer Relativgeometrie der Bahnbewegung kopositionierter oder zeitweise benachbarter Sa­ telliten.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Überwachung der Einhaltung der Sepa­ rationsstrategie durch die einzelnen Satelliten ein inte­ grierter Plot von einem e- und i-Vektor aller beteiligten Sa­ telliten vorgesehen ist.