DE4135034C2 - Einrichtung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei kopositionierten geostationären Satelliten - Google Patents
Einrichtung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei kopositionierten geostationären SatellitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bahnkontrolle von
mindestens zwei kopositionierten, geostationären Satelliten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Einrichtung zur Bahnkontrolle von mindestens zwei
kopositionierten, geostationären Satelliten ist bekannt, wobei
ein Bahnkontrollsystem mit einzelnen Funktionsblöcken vorgesehen
ist. (Siehe SOOP, E. M.: Introduction to Geostationary Orbits.
In: European Space Agency, SP-1053, November 1983n Seiten 52
bis 58.) Von dieser Druckschrift ist daher auch im Oberbegriff
des Anspruchs 1 ausgegangen worden.
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 den 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 um so 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 der eingangs genannten Art 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 Residuenplot 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 Inklinations-, (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 zeigt
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 Summary Sheet der Bahnbestim
mung und Manöverschätzung mit drei geschätzten
Komponenten eines Nord/Süd-Manövers;
Fig. 7 ein Beispiel eines weiteren Summary 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 beispielhafte Wiedergabe eines Residuen
plots zur Beurteilung von Bahnbestimmungsergebnis
sen;
Fig. 9 eine beispielhafte 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 verwaltet; 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.
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 Posititionshaltungs- 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 Positionshaltungs-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
3 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
vern 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.
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 kopositionierten,
geostationären Satelliten mit einzelnen Funktionsblöcken
eines Bahnkontrollsystems, dadurch gekennzeichnet, daß
vier unabhängige, entkoppelte Funktionsblöcke (2 bis 5) mit
einem abgestimmten Funktionsumfang vorgesehen sind, die über
eine als Schnittstelle zwischen den Funktionsblöcken (2 bis 5)
dienende Orbit-Datenbank (1) Daten austauschen, wobei die Daten
zwischen den Funktionsblöcken (2 bis 5) und der Orbit-Datenbank
(1) in einem festgelegten Format übergeben werden, diese von
den Funktionsblöcken (2 bis 5) in angegebener Reihenfolge nacheinander
aufgerufen werden, so daß die Funktionsblöcke (2 bis
5) somit ihre benötigten Eingabedaten aus der Orbit-Datenbank
(1) erhalten und erforderlichenfalls die erzeugten Ergebnisse
wieder an die Orbit-Datenbank (1) abliefern, wobei
- a) der erste Funktionsblock (2) zur Bahnbestimmung aus Messungen von Bodenstationen alle Parameter, die zur Berechnung von Ephemeriden in Form von Listen, welche Position, Geschwindigkeit und andere wichtige bahnrelevante Größen in diskreten Zeitschriften enthalten, als Funktionen der Zeit, die für eine gewünschte Zeitspanne notwendig sind und Kalibrierungsdaten ausgeführter Bahnmanöver für die kopositionierten Satelliten ermittelt und in der Orbit-Datenbank (1) abspeichert;
- b) der zweite Funktionsblock (3) zur Manöverplanung auf die in der Orbit-Datenbank (1) gespeicherten Ergebnisse zurückgreift und daraus Parameter für Bahnmanöver berechnet, damit ein Satellit zu bestimmten Terminen eine festgelegte Zielbahn erreicht, wobei auch wiederum die Ergebnisse in der Orbit- Datenbank (1) abgespeichert werden;
- c) mit Hilfe der in der Orbit-Datenbank (1) gespeicherten Bahn- und Manöverparameter der dritte Funktionsblock (4) zur Überwachung der Relativbewegung die relativen Abstände und Geschwindigkeiten, aufgelöst nach Komponenten, zwischen allen kopositionierten Satelliten für eine gewünschte Zeitspanne berechnet, und
- d) der vierte Funktionsblock (5) zur Vorhersage von speziellen Ereignissen und Ephemeriden die in der Orbit-Datenbank (1) abgelegten Ereignisse der anderen Funktionsblöcke (2 bis 4) dazu verwendet, um Ereignisse, wie den Durchgang eines Satelliten durch den Erd- oder Mondschatten, eine Störung eines Infrarotsenders durch den Eintritt von Sonne oder Mond in dessen Gesichtsfeld, einer Position der Sonne nahe der Sichtlinie von der Bodenstation zum Satelliten usw. vorherzusagen und eine ausführliche Bahnephemeride zu berechnen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einheit die Ereignisse in Form von Diagrammen, kurzen Tabellen
oder Datenbankeinträgen, welche alle wesentlichen Informationen
zur Bahnkontrolle enthalten, in übersichtlicher Form
darstellt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Orbit-Datenbank (1) aus einer Scratch-Datenbank und aus einer
Best-Knowledge-Datenbank besteht, wobei in der Scratch-Datenbank
alle laufenden Orbit-Datenbanksätze von den Funktionsblöcken
für Bahnbestimmung (2) und Manöverplanung (3) abgelegt
werden und nach einer Prüfung durch den Anwender wieder ausgelesen
und in die Best-Knowledge-Datenbank dauerhaft eingeordnet
werden, wobei aus beiden Datenbanken interaktiv Einträge ausgewählt
und herausgelesen werden, aus denen ein neuer Eingabe-File
für die Funktionsblöcke zur Bahnbestimmung (2) und Manöverplanung
(3) aufgebaut wird, während die Funktionsblöcke zur
Überwachung der Relativbewegung (4) und zur Vorhersage spezieller
Ereignisse (5) ihre Eingabedaten aus der Best-Knowledge-Datenbank
holen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß für jeden kopositionierten oder zeitweise benachbarten Satelliten
eine eigene Best-Knowledge-Datenbank eingerichtet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Benutzer-Interface
in Form einer Schnittstelle zwischen Benutzer und
Software für einen Import externer Bahninformation und für
einen Export einer eigenen Bahninformation in einem vorher
festgelegten und zwischen beteiligten Kontrollzentren abgestimmten
Format.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einheit
zur Bestimmung einer Relativgeometrie in der Bahnbewegung
kopositionierter oder zeitweise benachbarter Satelliten in Form
von relativen Positionen zwischen den Satelliten, die jeweils
auf einen beliebig ausgewählten Satelliten bezogen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Überwachung der Einhaltung der Separationsstrategie, bei welcher
Zielbahnen, auf welche die einzelnen Satelliten in regelmäßigen
Zeitintervallen hingesteuert werden, so gewählt sind,
daß einerseits ein Toleranzfenster eingehalten, andererseits
aber eine untere Grenze der gegenseitigen Abstände nominal nie
unterschritten wird, für die einzelnen Satelliten ein integrierter
Plot aus einem Exzentrizitäts-Vektor (e) und einem Inklinationsvektor
(i) aller beteiligten Satelliten vorgesehen
ist, wobei die Exzentrizität (e) einer Ellipse in einer Bahnebene
festgelegt ist, die um einen Winkel (i) gegen die Äquatorebene
geneigt ist.
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1991
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