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Modell-basierte Systemsimulation eines Kleinsatelliten mit einem FPGA-basierten On-board-Computer
(2009) Falke, Albert; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr.-Ing.)
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.