Hilfe aus dem All: Satellitenanalyse optimiert

Software-Tool zur Berechnung von Satellitenkonstellationen

Zur Erdbeobachtung aus dem Orbit werden derzeit spezielle Satelliten entwickelt. Typische Einsatzgebiete sind Wettererkundung, Umweltbeobachtung, Kartierung und Geologie. In enger Zusammenarbeit mit dem Bremer Unternehmen OHB-System AG hat das Steinbeis-Forschungszentrum für Optimierung, Steuerung und Regelung eine mathematische Software zur Optimierung der Ressourcenplanung von Satelliten entwickelt. Die beiden Partner erhielten dafür neben zwei weiteren Projekten den Löhn-Preis 2008.

Die OHB-System AG in Bremen ist ein mittelständisches Unternehmen und spezialisiert auf die Bereiche Raumfahrt und Sicherheit. Am bekanntesten ist wohl der in Bremen entwickelte und gefertigte Radar- Aufklärungssatellit SAR Lupe. Im zivilen Bereich werden Kleinsatelliten für die globale Überwachung der Umwelt eingesetzt. Sie registrieren Vulkanausbrüche, Überflutungen, Schiffsverklappungen oder messen direkt die Wasser-, Boden- und Luftqualität.

Die Optimierung der Satellitenkonstellationen und ihrer Betriebszeiten ist essentiell für einen erfolgreichen Missionsverlauf. So sind z.B. die Kameraaufnahmezeitpunkte und Orbitparameter für die Interessensgebiete und die Kontaktzeiten zu den Bodenstationen und Datenrelay-Satelliten mathematisch zu optimieren.

Das Bremer Steinbeis-Forschungszentrum für Optimierung, Steuerung und Regelung hat gemeinsam mit der OHB-System AG auf Basis innovativer mathematischer Methoden ein Software-Tool zur Optimierung und Analyse von Satellitenkonstellationen für die Erdbeobachtung entwickelt. Schwerpunktmäßig werden Orbitparameter jedes Satelliten einer Konstellation im Hinblick auf verschiedene Zielgebiete optimiert. Dabei werden zahlreiche Faktoren berücksichtigt: unterschiedliche Einsehbereiche für verschiedene Sensortypen, Kommunikation mit Bodenstationen oder Anforderungen an verschiedene Zielgebiete. Andererseits werden auch die Betriebszeitpläne der Satelliten unter mathematischen Gesichtspunkten automatisch hinsichtlich Prioritäten von Zielgebieten, verschiedenen Beobachtungsmodi, Totzeiten zwischen Bildaufnahme und Bodenstationskontakten, Position von Bodenstationen und mehreren Ein- und Ausschaltpunkten pro Orbit optimiert. Dabei spielen der beschränkte Speicherplatz für Bildaufnahmen, der Sonnenstand, begrenzter Akkustrom und Wiedereinschaltrestriktio nen eine Rolle. Bisher gab es kein kommerzielles Produkt auf dem Markt, das für diese Aufgaben zur automatischen Optimierung von Satellitenkonstellationen und Betriebszeitplänen eingesetzt werden konnte. Mit der neuen Software gelingt es erstmals, die maximal beobachtbare Fläche exakt und automatisch zu ermitteln, bisher vergingen oftmals Wochen oder Monate, bevor akzeptable Lösungen gefunden wurden.

Die entwickelte Lösung bietet eine vorteilhafte Nutzeroberfläche und eine um den Faktor 200 erhöhte Rechengeschwindigkeit für die Optimierung der Satellitenzeitpläne im Online- Betrieb. Sie schlagen damit das weltweit eingesetzte amerikanische Satellite-Tool-Kit deutlich. Für exakte Flächenmessungen und Simulationen setzten die Mathematiker am Steinbeis-Forschungszentrum erfolgreich spezielle Strategien ein: Überdeckungen werden als konvexe Polygone vereinigt und Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung werden zur Optimierung der nichtlinearen Probleme eingesetzt.

Der wirtschaftliche Erfolg für beide Partner ist vorgezeichnet. Denn das europäische Netzwerk für Analyse- und Vorhersagedienste in den Bereichen Notfallmanagement, Landbeobachtung und Ozeanüberwachung GMES (Global Monitoring for Environment and Security) der Europäischen Kommission und der Europäischen Weltraumbehörde benötigt berechenbare Daten.

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