Modell-basierte Systemsimulation eines Kleinsatelliten mit einem FPGA-basierten On-board-Computer

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Systemsimulation des Satelliten Flying Laptop unter Weltraumbedingungen, mit dem Ziel die Funktionalitäten des Satellitensystems als Ganzes zu verifizieren. Simulation bezeichnet allgemein das Nachahmen des Verhaltens eines Systems oder Prozesses zum Zwecke der Analyse von Systemen, die für die theoretische oder formelmäßige Behandlung zu kompliziert sind. Auch im Kontext einer Kleinsatellitenmission ist das Satellitensystem bereits so komplex, dass man ohne die systemweite Simulation keine detaillierte Analyse unter Berücksichtigung der vielen miteinander interagierenden Komponenten mehr durchführen kann. Bereits seit einigen Jahren verwenden renommierte Satellitenhersteller Simulationstechnologien, um bereits während der Satellitenentwicklung und Fertigung den größtmöglichen Missionserfolg zu gewährleisten. Eine dieser Technologien ist die Modell-basierte Entwicklungs- und Verifikationsumgebung der Firma EADS Astrium GmbH aus Friedrichshafen. Sie bietet ein systematisches und standardisiertes Entwicklungs- und Verifikationsrahmenwerk im Sinne eines systemweiten Satellitensimulators an, um die Entwicklung von Satelliten, die Verifikation der On-board Software und den Gesamtfunktionsnachweis des Satelliten zu unterstützen. In diesem Simulator können alle Satellitenkomponenten modelliert und die On-board Software somit auf funktionaler Ebene verifiziert werden. Auf diese Weise können aufwendige und kostenintensive Entwicklungsmodelle einzelner Subsysteme und Schlüsseltechnologien wegfallen. Insbesondere sei hier die Verifizierung der Genauigkeit des Lageregelungssystems angesprochen. Als technologische Voraussetzung bringt gerade diese Entwicklungstechnologie budgetschwache Kleinsatellitenprojekte der Realisierung einen deutlichen Schritt näher und erhöht gleichzeitig die Güte des Systemdesigns des Satelliten. Im Rahmen einer Kooperation wurde diese Simulationsumgebung dem Institut für Raumfahrtsysteme zur Adaption und Anwendung im Stuttgarter Kleinsatellitenprogramm zur Verfügung gestellt. Zur Anwendung der Systemsimulation im Kleinsatellitenprojekt Flying Laptop sind alle relevanten Satellitenkomponenten im Simulator durch entsprechende, detaillierte Softwaremodelle abgebildet worden. Der sukzessiven Entwicklung der Komponentenmodelle ist durch den schrittweisen Aufbau von immer komplexeren Testständen der Software-Verifikations-Einrichtung Rechnung getragen worden. Infolgedessen erweiterten sich die Simulationsfähigkeiten von ersten Orbitsimulationen mit wenigen Komponentenmodellen, aber mit geschlossenem Simulationskreislauf, über die Simulation von Energie- und Thermalbilanzen unter Betriebsbedingungen bis hin zu vollständigen Systemsimulationen unter Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf einem FPGA-Entwicklungsboard. Gerade dieses charakteristische FPGA-basierte On-board Computer System mit den darauf betriebenen Kontrollalgorithmen führt zu einer großen Herausforderung bei der modellhaften Repräsentation derselbigen im Systemsimulator. In diesem Zusammenhang stellt die Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf einem FPGA-Entwicklungsboard in den geschlossenen Simulationskreislauf eine erfolgreich realisierte technische Neuerung dar. Zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Arbeit steht dem Projekt Flying Laptop durch die Einbindung der realen On-board Kontrollalgorithmen auf dem FPGA-Entwicklungsboard ein umfangreicher Teststand mit großem Potential zur Entwicklung und zum Funktionsnachweis der On-board Kontrollalgorithmen zur Verfügung. Dieser wurde, wie die vorgestellten Simulationsergebnisse zeigen, bereits intensiv zum Testen der ersten Lageregelungsalgorithmen genutzt und kann auch zukünftig sukzessive mit Funktionserweiterungen der On-board Kontrollalgorithmen angewandt werden. Typische Missionsszenarien wie die Transition zwischen zwei Betriebsmodi des Satelliten oder der automatische Übergang in den SAFE Mode bei einem Fehler können jetzt simuliert und getestet werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen dienen nicht nur dem reinen Funktionsnachweis der On-board Kontrollalgorithmen, sondern fließen direkt in die Optimierung der Kontrollalgorithmen zurück und führen so zu einem iterativem Verbesserungsprozess. Der Systemsimulator ist mit seiner Datenbank als Teil seiner Infrastruktur ganz gezielt so implementiert worden, dass einzelne Testszenarien einfach und ohne wiederholten Konfigurationsaufwand reproduziert werden können. Somit unterstützt der Systemsimulator den sich in der Softwareentwicklung typischerweise iterativ wiederholenden Verifikationsprozess in einer optimalen Form.

This PhD thesis treats the topic of system-simulation of the satellite Flying Laptop. Its intention is verification of the satellite functionalities as a complex system in space environment. The idea of simulation characterizes in a common meaning the emulation of the behavior of a system or process in order to analyze the complex system, which cannot represented by analytic mathematics. In context of a small satellite mission the satellite system is already a complex system. Without system-wide simulation a detailed analysis of the satellite system with consideration of all interacting components cannot be accomplished. Since several years renowned satellite manufacturers utilize simulation technologies to guarantee maximized mission success already during the satellite development, integration and test. One of this technologies is the Model-based Development and Verification Environment (MDVE), which is developed by EADS Astrium GmbH in Friedrichshafen, Germany. By meanings of a system-wide satellite simulator it provides a systematic and standardized development and verification framework in order to support the development process of satellites, the verification of the on-board software and to support the overall system verification with all individual component functionalities. In the simulated space environment all satellite components are represented by software models and the on-board software is thereby verified on functional level. In this matter complex and expensive engineering models of individual subsystems and key technologies can be dropped. The verification of the attitude control system performance is to be mentioned in this context in particular. As a technological premise this development technology on the one hand helps small satellite projects with limited budgets to realize their mission objectives and on the other hand increases the satellite system design and verification quality. The simulation environment MDVE was provided to the Institute of Space Systems for its small satellite projects in the Stuttgart Small Satellite Programme due to a close cooperation with EADS Astrium. For system-simulation application in the small satellite project Flying Laptop all relevant satellite components are represented by corresponding detailed software models. The successive development of these component models ends up in the stepwise setup of even more complex Software Verification Facilities. Hence the simulation abilities expand from first closed loop orbit simulations with only a few component models, over simulations of power and thermal balance at operating conditions to complete system simulations with implementation of the real on-board control algorithms on a FPGA development board. Specifically the characteristic FPGA-based On-board Computer System with its control algorithms lead to a big challenge by representing them in the system-simulator. In this context a technical innovation is introduced by the successful implementation of the real on-board control algorithms on a FPGA development board into the closed simulation loop. By completion of this PhD thesis with implementation of the real on-board control algorithms into the simulation loop, the project Flying Laptop is supported with a comprehensive and highly potential testbed for development and functional verification of the on-board control algorithms. This testbed is eager used to test the already developed attitude control algorithms as first simulation results demonstrate. It also can be used for further developments and optimizations of the on-board control algorithms. Typical mission scenarios which may be simulated and tested are the transition between two operational modes of the satellite or the autonomous switch into SAFE mode due to an arbitrary injected malfunction. The results of these simulations serve not only as functional verification of the on-board control algorithms but can also analyzed and traced back to the optimization of these control algorithms and lead to an iterative process of improvement. With its database system as part of its infrastructure, the system simulator is implemented systematically to easily support the reproduction of individual test cases without the need of a repeated complex and time-consuming configuration. In this manner the on-board software development with its repeated verification processes is supported in an ideal way.