iBOSS – Intelligentes Baukastensystem für das On-Orbit-Satelliten-Servicing und -Assembly

Ziel der Studie iBOSS ist es, die Kosten im Bereich der Satellitenwartung durch Normierung, Standardisierung und Modularisierung signifikant zu senken. Speziell die Modularität soll es ermöglichen, beschädigte oder veraltete Satellitenmodule im Orbit austauschen zu können, statt wie bisher den ganzen Satelliten zu ersetzen. Softwaretools ermöglichen es neue Satelliten zu designen und zu simulieren, um sehr geringe Ready-to-Launch Zeiten erreichen zu können. Als Fernziel sollen diese Arbeiten von Service-Satelliten erledigt werden.

Zwei wesentliche Kostenfaktoren von Raumfahrtprojekten sind Entwicklungskosten sowie Startkosten. Die im Jahr 1999 eingeführte, international gültige Definition des CubeSat-Standards hat zu einer dramatischen Senkung der Startkosten geführt, wenn auch nur für Kleinstsatelliten mit einer Masse von 1-3kg. Damit sind jedoch die ersten Schritte zu einer Standardisierung von Satellitenbussen getan und kurze Realisierungszeiten zum Anpassen des Satelliten an eine Mission treten an die Stelle zeitaufwändiger und kostenintensiver Einzelentwicklungen.

Eine weiterführende Modularisierung von Raumfahrtsystemen ermöglicht es, nicht nur Nutzlasten auf adaptierbaren Bussen zu montieren, sondern auch, die Bussubsysteme mit unterschiedlichen Leistungsparametern missionsspezifisch zusammenzustellen und somit die Möglichkeiten des effektiven Einsatzes solcher Systeme zu erweitern. Diese Ansätze zur Modularisierung sind jedoch derzeit primär auf den Bereich der bodenseitigen Arbeitsschritte beschränkt, wobei auch hier die Möglichkeiten noch nicht voll ausgeschöpft werden.

Das iBOSS-Szenario: Ein Satellit bestehend aus standardisierten Bausteinen wird im Orbit gewartet.
Das iBOSS-Szenario: Ein Satellit bestehend aus standardisierten Bausteinen wird im Orbit gewartet und erweitert.

Der nächste Schritt – die Erweiterung und Wartung von mit robotischer Intelligenz ausgestatteten modularen Raumfahrtsystemen im Orbit – soll mit der Studie iBOSS vorbereitet werden. Die Studie wird gefördert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und wird gemeinschaftlich vom FZI Forschungszentrum Informatik, der TU Berlin, der RWTH Aachen und dem RIF Institut für Forschung und Transfer durchgeführt. Im Rahmen der Studie gibt es zwei primäre Bereiche: einerseits die modularen und koppelbaren Raumfahrtbausteine selbst, inklusive ihrer physikalischen Struktur und andererseits verteilte Steuerungsarchitekturen für diese modularen Raumfahrtsysteme. Speziell durch die Modularität wird es ermöglicht, beschädigte oder veraltete Satellitenmodule im Orbit austauschen zu können, statt wie bisher den ganzen Satelliten zu ersetzen. Als Fernziel sollen diese Arbeiten von Service-Satelliten erledigt werden, die ebenfalls den iBOSS-Standards genügen. Hierbei sollen die für die Servicerobotik entwickelten und eingesetzten Techniken auf die Raumfahrt übertragen werden.

Im Vorhaben iBOSS-2 rückte neben der Erhöhung des Technologiereifegrades der Module die Wartung des modularen Satelliten in den Vordergrund. Hierzu wurden am FZI die Algorithmen zur Planung und Durchführung der Wartung mittels mehrerer Roboterarme entwickelt. Zum Einsatz kommt hierbei die Simulationsumgebung VEROSIM die von den Projektpartnern RWTH Aachen - MMI und RiF e.V. für das Projekt weiterentwickelt wird.

iBOSS: Übersicht iCASD - Computer Aided Satellite Design
Übersicht der grafischen iCASD Oberfläche

Die Aufgabenfelder des FZI konzentrierten sich im bisherigen Vorhaben auf das Konzipieren und Modellieren der Satelliten-Module sowie die Konzipierung einer Schnittstelle zum Koppeln der Module und zum Austausch von Daten zwischen den Modulen. Um einen Operator beim Design eines Satelliten zu unterstützen ist ein computerunterstützter Designprozess für modulare Satelliten (iCASD) entwickelt worden. Dieser unterstützt von der Auswahl der Komponenten über eine weitere Auswahl von Modulen bis zur Anordnung der Module im Satelliten. Weiterhin wurde die IT-Infrastruktur für die Module und das Netz eines zukünftigen, modularen Satelliten angepasst und verfeinert. Dafür wurde auch die Entwicklung des dynamischen Software- und Steuerungs-Frameworks vorangetrieben, damit die Module beliebig miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Für das Servicing und Assembly wurde zudem die Planung und Durchführung der robotischen Wartung modularer Satelliten entwickelt, welche von einem weiteren (Service-) Satelliten übernommen wird.

Im dritten Vorhaben iBOSS-3 werden am FZI ein dynamisches, ressourcenorientiertes Scheduling und das Verteilen von Berechnungen innerhalb des modularen Satelliten entwickelt. Damit können große Rechenaufgaben auf mehrere Bausteine verteilt werden. Zudem wird es möglich, Randbedingungen wie beispielsweiße eine Überhitzung durch Rechenlast zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe befasst sich mit Lokalisierungsalgorithmen um Positionen von verdeckten Schnittstellen relativ zum Satelliten zu bestimmen. Diese werden auf indirekten Modellbeobachtungen basieren, welche dem SLAM-Ansatz aus der mobilen Robotik ähnlich sind. Das in den Vorgängerprojekten entwickelte iCASD-Tool (Computer Aided Satellite Designer), das es Endanwendern gestattet, schnell und intuitiv einen neuen, modularen Satelliten zu erzeugen, wird ebenfalls im iBOSS-3 Vorhaben weiterentwickelt. Dabei werden die Verteilung von Ressourcen sowie die Verfeinerung der Missionsanforderungen einbezogen. Für das robotische Servicing werden zum einen Strategien entwickelt, welche eine robuste und roboterunabhängige Bausteinmanipulation ermöglichen. Zum anderen werden Algorithmen zum Fügen und Herauslösen von Bausteinen und Bausteinverbünden entwickelt. Dabei müssen, um Beschädigungen zu verhindern, Verklemmungen beachtet werden. 

Übergeordnetes Ziel des 2,5 Jahre andauernden Vorhabens ist vor allem die Steigerung der Robustheit und Zuverlässigkeit aller Komponenten auf ein Niveau, das über den Labor-Demonstrator hinausgeht und den Bedingungen im All standhalten kann. Einige Komponenten sollen bereits am Ende der Laufzeit im Weltraum erprobt werden.

 

 

Logos der Partner

Partner

  • TU Berlin - Institut für Luft- und Raumfahrt
  • RWTH Aachen - Institut für Leichtbau
  • RWTH Aachen - Institut für Mensch-Maschine-Interaktion
  • JKIC - Joerg Kreisel International Consultant
  • RiF e.V. - Dortmunder Initiative zur rechnerintegrierten Fertigung

Laufzeit

iBOSS Phase 1: 01.07.2010 bis 29.06.2012

iBOSS Phase 2: 01.09.2012 bis 31.08.2015

iBOSS Phase 3: 01.10.2015 bis 31.03.2018

Ansprechpartner

M.Sc. Johannes Mangler

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Werdegang

 

Johannes Mangler studierte von 2008 bis 2015 Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Seine Schwerpunkte liegen in den Gebieten Regelungstechnik, Robotik und Navigation. Seine Masterarbeit mit dem Titel "Adaptive Bewegungssynchronisation zwischen einem Manipulator und einer mobilen Plattform durch Impedanzregelung" fertigte er am FZI Forschungszentrum Informatik in der Abteilung "Interaktive Diagnose und Servicesysteme" (IDS) an.

Seit März 2015 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS) des FZI.

 

Publikationen

zu den Publikationen

Kontakt

Telefon: +49 721 9654-204
Fax: +49 721 9654-205
E-Mail: mangler@dont-want-spam.fzi.de

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