Adaptive communicaiton return channels for teleoperated spacecraft - Evaluation of ressource-saving potentials
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Bestimmung in welcher Quantität Bordressourcen (in Form von elektrischer Leistung) durch einen adaptiven Rückkanal bei vergleichbarem Situationsbewusstsein eingespart werden können. Ziel des ersten Arbeitspaketes war es eine geeignete Referenzmission zu entwerfen die als Vorlage für die weiteren Systemauslegungen dienen kann. Hierbei wurden zwei Punkte näher betrachtete. Zunächst wurde analysiert welche Zielobjekte in Frage kommen für eine Mission zur aktiven Entfernung von Weltraumschrott. Im zweiten Schritt waren dann die nötigen Teilschritte einer Rendezvous und Dockingmission zu bestimmen. Nach der Bestimmung der Referenzmission wurde basierend auf einer Literaturrecherche die Liste der möglichen zu überwachenden und anzupassenden Parameter erstellt. Messparameter: Erster Empfänger; Weltraum und Erdumgebung; Eigenzustand - Rotation; Relative Entfernung zum Ziel; Zeitplan der Missionsoperationen; Sensordateninhalt. Anzupassende Parameter: Sensoren; Kommunikation. Anschließend wurden Messungen und Berechnungen zum Energiebedarf durchgeführt um eine Methode zur Ermittlung des Gesamtenergiebedarfs zu erhalten. So wurde der Strombedarf von optischen Sensoren bei unterschiedlichen Konfigurationen ermittelt und Link Budgets für unterschiedliche Linkkonfigurationen berechnet. Diese ergaben einen dynamischen Gesamtenergiebedarfsbereich von 150-485 Watt. Danach wurden die erarbeiteten Parameter und Metriken in konkreten Systementwürfe ausgearbeitet. Dabei galt es die identifizierten Parameter mit realen Werten zu hinterlegen und anhand von bekannten Beispielmissionen konkrete Anpassungsschemata für die Sensor- und Kommunikationskonfigurationen zu erarbeiten. Nach der theoretischen Sammlung möglicher Adaptionsschemata wurden dann in Abstimmung mit der vorhandenen Forschungsinfrastruktur im Racoon Lab drei statische und eine adaptive Logik in zwei Schritten implementiert: Simulink/Stateflow Simulation für gesamten Endanflug; Experimentalaufbau für Durchführung der Nutzerstudie mit Menschen. Der Energiebedarf kann dabei für die gewählte Referenzmisison mit der Stateflow/Simulink Simulation berechnet werden. Als Metrik für diese Leistungsfähigkeit des Systems wird das erreichbare Situationsbewusstsein beim menschlichen Operator gewählt, welches über eine Nutzerstudie mit der Hardwareanlage ermittelt wurde. Die Simulink/Stateflow Simulationen zeigen einen starken Anstieg bei Sensorkonfigurationen mit hohen Qualitätsstufen die zu sehr hohen Datenmengen und damit hohem Energiebedarf durch die Datenübertragung resultieren. In der gewählten Adaptiven Konfiguration entspricht der zu erwartende Gesamtenergiebedarf in etwa dem einer mittleren statischen Konfiguration. Das Ergebnis der Nutzerstudie zeigt das für alle ermittelten Sensorkonfigurationen keine statistisch signifikanten Unterschiede für das Situationsbewusstsein ermittelt wurden (p = 0,0776 bei Friedmann Test). Die Gründe für eine in der Form unerwartetes Ergebnis könnte an zu leistungsstark gewählten Sensorkonfigurationen liegen. Auch Mängel in der Testmethodik sind nicht auszuschließen. Der vorgeschlagene Ansatz eines Adaptiven Rückkanals würde dabei bei der gewählten Konfiguration zu einem Gesamtenergiebedarf führen der vergleichbar mit einer statischen Konfiguration mittlerer Leistungsfähigkeit ist. Der erhoffte Vorteil bei reduziertem Energiebedarf eine höhere Leistungsfähigkeit (= Situationsbewusstsein) in Bezug auf einen menschlichen Operator ist nicht nachweisbar. Die durchgeführte Nutzerstudie zum adaptiven Rückkanals weist keine messbaren Vorteile bezüglich des Situationsbewusstseins auf. Aufgrund des gefunden Ergebnisses ist eine Fortführung oder gar Verwertung des erforschen Ansatzes nicht zu empfehlen.
Publications
- User study on human visual inspection capabilities of space debris status, Proceedings of Deutsche Luft- und Raumfahrtkongkress 2015, Rostock, September 2015
J. Harder, L. Preis
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/AERO.2016.7500670) - "Acoustic telepresence for spacecraft proximity operations," 2016 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2016, pp. 1-12
J. Harder, M. Wilde, J. Ventura and M. Dziura
(See online at https://doi.org/10.1109/AERO.2016.7500670) - "3D reconstruction in orbital proximity operations," 2017 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, 2017, pp. 1-10
M. Dziura, T. Wiese and J. Harder
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/AERO.2017.7943679) - Adaptive operational concepts for future space missions, Proceedings of the 68th International Astronautical Congress, Adelaide, Australia, 2017
J. Harder, M. Dziura, S. Haberl
