Weltraum

Ressourceneffiziente Weltraumüberwachung

Grobstruktur der End-to-End-Simulation.
© Foto Fraunhofer FHR

Grobstruktur der End-to-End-Simulation.

Der verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen verlangt ein Umdenken bei der Konzeption zukünftiger Systeme für die Weltraumüberwachung. Mit der Simulationsumgebung »SpaceView & Analyst« können neue Konzepte erstmals systematisch untersucht werden.

Effiziente Sensor- und Verarbeitungsnetzwerke

Kernaufgabe der Weltraumüberwachung ist es, die Orbits von Objekten auf Erdumlaufbahnen so zu vermessen, dass die Position jedes Objekts zu jeder Zeit hinreichend gut geschätzt werden kann. Abhängig vom zu überwachenden Verkehrsraum dienen Radare oder optische Sensoren zur Erfassung des gegenwärtigen Zustands, repräsentiert durch eine Datenbank mit den Bahndaten der Objekte. Aufgrund verschiedenster Einflüsse, kann ein Datensatz stets nur für einen beschränkten Zeitraum zur qualitativ hochwertigen Prognose einer Objektposition herangezogen werden. Die Orbits müssen daher regelmäßig neu vermessen werden. Die Erforschung der hierfür erforderlichen Sensor- und Verarbeitungsnetzwerke sowie entsprechender Unterstützungssysteme für die Weltraumüberwachung ist Gegenstand der Arbeiten am Fraunhofer FHR.

Gelang es in der Vergangenheit zwar, die Weltraumüberwachung durch den Einsatz immer leistungsstärkerer Sensoren punktuell zu verbessern, so blieben Möglichkeiten der Optimierung und Effizienzsteigerung auf globaler Ebene bislang weitgehend unerforscht. Insbesondere fehlte es bis dato an einer ganzheitlichen Betrachtung des Prozesses »Weltraumüberwachung«. Hierzu ist eine Modellierung und Simulation des komplexen Zusammenspiels aller Systemkomponenten unerlässlich.

Modellierung komplexer Systeme

Zur systematischen Untersuchung von Systemen zur Weltraumüberwachung wurde am Fraunhofer FHR die Visualisierungs- und Simulationsumgebung »SpaceView & Analyst« entwickelt. Kernelement ist ein hochleistungsfähiges Modul zur Repräsentation des zu untersuchenden Verkehrsraums, der in ihm enthaltenen Objekte sowie der eingebrachten Sensoren in Ort und Zeit. Mit diesem Ansatz lassen sich praktisch alle Sensorsystemgattungen, von boden- bis raumgestützt, geeignet modellieren. Für jeden Sensor kann dessen statische oder dynamische Ausrichtung individuell definiert werden. Verarbeitungsnetzwerke und Datenbanksysteme lassen sich analog einbinden. Auf diese Weise können z. B. Strategien zur Durchmusterung des im jeweiligen Gesichtsfeld eines Sensors liegenden Beobachtungsvolumens, aber auch andere Beobachtungsmodi, wie Beampark oder Tracking untersucht und bewertet werden.

Die softwaretechnische Abbildung aller Komponenten eines zu untersuchenden Überwachungssystems erfolgt auf Basis paralleler Prozesse sowie bereitgestellter Methoden zur Interprozesskommunikation. Die Simulationsleistung skaliert mit der Anzahl von Prozessorkernen und erlaubt, selbst komplexe Weltraumüberwachungssysteme mit vielen Sensoren und nachgelagerten Verarbeitungseinheiten in Echtzeit untersuchen zu können.

Verifikation mittels End-to-End-Simulation

Die Simulation selber erfolgt im Zeitbereich: Wie in der Realität liefern auch die in der Simulation involvierten Systeme Messdaten mit einer vom jeweiligen Betriebsmodus und Sensor abhängigen zeitlichen Auflösung und müssen ggf. auch selber mit Daten versorgt werden. Im Fall eines klassischen Überwachungsradars ist die Ausrichtung der Antenne beispielsweise eine sich nicht verändernde periodische Zeitfunktion. In einem vorgegebenen Zeitraster erfasst der Sensor die Objekte, die sich in der aktuellen Antennenkeule befinden. Nach einer typischerweise noch am Sensor vorgenommenen Filterung der Eingangsdaten führt dieser die gewonnenen Beobachtungsvektoren (Positionsdaten) einem weiterverarbeitenden System zu. Dieses gruppiert die übermittelten Daten so, dass Gruppen mit Datensätzen entstehen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit demselben Objekt zuzuordnen sind. Auf Basis dieser Information kann eine weitere Instanz schließlich die Bahn des jeweiligen Objekts numerisch bestimmen. Sodann kann die Bahninformation in eine Bahndatenbank eingepflegt werden.

Ziel einer ressourceneffizienten Weltraumüberwachung ist es, die Bahnen der Objekte im Weltraum so ressourcenschonend wie möglich, aber auch so genau wie nötig zu vermessen. Dabei ist es keineswegs trivial, die vorgenannte minimal erforderliche Genauigkeit zu quantifizieren. Insbesondere wird ein Stabilitätskriterium zu erfüllen sein, welches fordert, dass sich die Anzahl der jeweils gültigen Bahndatensätze nach einer gewissen Kaltstart-Phase nicht mehr verändern darf. Dies natürlich unter der Voraussetzung einer konstanten Anzahl beobachtbarer Objekte, deren Bahn nicht aktiv durch ein Manöver oder durch Kollision mit einem anderen Objekt verändert wird. Der Nachweis, dass das Stabilitätskriterium bei einer vorgegebenen Systemkonfiguration erfüllt wird, lässt sich nur durch eine entsprechende End-to-End-Simulationen erbringen.