DE102005016209B4

DE102005016209B4 - Verfahren zur Erzeugung eines Notsignals an Bord eines Satelliten und dessen Übertragung sowie Verwendung einer Einrichtung zum Erzeugen eines Notsignals und dessen Weiterleitung

Info

Publication number: DE102005016209B4
Application number: DE200510016209
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Gill
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: DE102005016209A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Notsignals an Bord eines Satelliten und dessen Übertragung, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen eines schweren Systemfehlers an Bord eines Satelliten (9) von einer auf dem Satelliten (9) vorgesehenen Kommunikationseinheit (1) sofort ein Notsignal erzeugt wird, das Notsignal zeitnah über einen zweiten mit einer geeigneten Kommunikationseinheit ausgestatteten Satelliten (6) an eine Empfangsstation (11) übertragen wird, die für den Empfang von Notsignalen vorgesehen ist, und das Notsignal von der Empfangsstation (11) an ein für Satellitenbetrieb zuständiges Kontrollzentrum (10) weitergeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Notsignals an Bord eines Satelliten und dessen Übertragung sowie Verwendung einer Einrichtung zum Erzeugen eines Notsignals und dessen Weiterleitung.

Die Kommunikation von Satelliten mit einem Satellitenkontrollzentrum erfolgt über das Senden von Nutzlast- und Satellitendaten vom Satelliten zu einer Bodenstation, die einen Teil eines spezifischen Bodenstationssegments darstellt. Für tief fliegende Satelliten beträgt die Dauer zwischen zwei Bodenstationskontakten üblicherweise mehrere Stunden. Bislang können deshalb schwere Systemfehler an Bord eines Satelliten, wie der Ausfall von Nutzlast, Sensoren und Aktuatoren, vom Kontrollzentrum erst erkannt werden, wenn der Satellit wieder in Kontakt zur Bodenstation eines spezifischen Bodenstationssegments tritt.

Aus DE 693 01 372 T2 ist bekannt, bei einem Satelliten im Falle einer Störung an Bord desselben einen Sicherheitsmodus zu aktivieren. Ferner ist DE 697 06 210 T2 zu entnehmen, dass ein schwerer Systemfehler an Bord eines Satelliten, beispielsweise Ausfall eines Stabilisierungsschwungrads, mittels vom Satelliten zur Erde gesendeter Telemetriedaten, die von einer Bodenstation empfangen und ausgewertet werden, erkannt wird.

Der Nachteil des bestehenden Betriebskonzeptes bei tief fliegenden Satelliten besteht darin, dass zwar bei schweren Systemfehlern an Bord des Satelliten in der Regel ein Sicherheits-Lagemodus (Safe-Mode) aktiviert wird, der die Aufrechterhaltung minimaler Funktionalitäten an Bord des Satelliten sicherstellen soll, jedoch erfolgt keine zeitnahe Mel dung des Fehlers an den Satellitenbetreiber. Damit ist eine zeitnahe Vorbereitung auf geeignete Rettungs- und Gegenmaßnahmen nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter den Beschränkungen eines bestehenden Bodenstationssegments eine zeitnahe Meldung von schweren Systemfehlern an Bord eines Satelliten an den Satellitenbetreiber zu übermitteln.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogene Ansprüche. Ferner ist die Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Notsignals und dessen Weiterleitung gemäß Anspruch 6 vorgesehen.

Gemäß der Erfindung wird an Bord eines Satelliten bei Feststellen von schweren Systemfehlern von einer Kommunikationseinheit sofort ein Notsignal erzeugt. Das Notsignal wird zeitnah über einen mit einer geeigneten Kommunikationseinheit ausgestatteten zweiten Satelliten an eine Empfangsstation für Notsignale weitergeleitet. Schließlich wird das Notsignal von der Empfangsstation für Notsignale an ein für Satellitenbetrieb zuständiges Kontrollzentrum übermittelt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Notsignal an Bord des Satelliten bordautonom und in Echtzeit unter Nutzung einer Fehlermeldung des Bordrechners und optional unter Nutzung der Signale eines globalen Satellitennavigationssystems erzeugt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Satellit zur Übertragung des Notsignals ein mit einer Search and Rescue (SAR)-Funktionalität ausgestatteter Satellit eines globalen Satellitennavigationssystems verwendet werden. Für globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) eignen sich das amerikanische Global Positioning System (GPS), das russische Gegenstück GLONASS sowie das in Planung befindliche europäische Galileo-System. Damit ist eine Übertragung des Notsignals in Echtzeit an eine Bodenstation für Notsignale gewährleistet.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann in vorteilhafter Weise die Nutzung bestehender SAR-Systeme, die bislang ausschließlich für terrestrische, maritime oder luftgestützte Nutzer eingesetzt werden, ebenfalls für raumfahrtgestützte Anwendungen genutzt werden. Ein Beispiel für ein SAR-System ist COSPAS-SARSAT, dessen Raumsegment aus tief fliegenden Satelliten (LEOSAR) und geostationären Satelliten (GEOSAR) besteht. Dies soll künftig auch auf GNSS ausgeweitet werden (MEOSAR).

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können mittels eines Satelliten-Navigationsempfängers die Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Satelliten und den Satelliten des GNSS bestimmt werden. Da Satelliten des GNSS, insbesondere Galileo, künftig mit speziell für SAR-Anwendungen konzipierten Telekommunikationseinheiten ausgestattet sein werden, kann mittels einer berechneten Relativgeschwindigkeit eine Dopplerkompensation der Notsignale erfolgen, so dass ein robuster Empfang des vom Satelliten ausgesendeten Notsignals bei einem der GNSS-Satelliten möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 in einem Blockschaltbild Funktionseinheiten und zwischen diesen verlaufende Signal-Datenwege und
2 ebenfalls in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel einer einem Satelliten-Bordrechner nachgeschalteten Kommunikationseinheit zur Erzeugung eines Notsignals.
Die in 1 dargestellte Einrichtung weist fünf Funktionsblöcke 1 bis 5 auf, die sich an Bord eines Satelliten 9 befinden. Hiervon enthält der Funktionsblock 1 eine Kommunika tionseinheit zur Erzeugung einer digitalen Notfallnachricht. Der Funktionsblock 2 enthält einen Satelliten-Bordrechner, der mit den Funktionsblöcken 1 und 3 bis 5 verbunden ist. Die Funktionsblöcke 3 und 4 stehen stellvertretend für typische Untersysteme des Satelliten, wie beispielsweise ein Lagekontrollsystem, ein Thermalsystem, ein Kommunikationssystem, ein elektrisches System oder ein Antriebssystem für Satelliten.
Bei Ausfall einer kritischen Komponente eines der Untersysteme oder einer anderweitigen schwerwiegenden Funktionsstörung wird dies vom Satelliten-Bordrechner im Funktionsblock 2 registriert, der daraufhin autonom und in Echtzeit eine Notfallmitteilung an die Kommunikationseinheit (Funktionsblock 1) für Notsignale übermittelt. Der Funktionsblock 5 ist optional vorgesehen und dient zur Doppler-Kompensation; der Funktionsblock 5 enthält einen Satelliten-Navigationsempfänger sowie eine Antenne zum Empfang von Signalen eines globalen Satellitennavigationssystems, von welchem zur Veranschaulichung zwei Navigationssatelliten 7 und 8 dargestellt sind.
Der mit einer geeigneten Kommunikationseinheit ausgestattete Satellit 6, beispielsweise ein Galileo-Satellit, empfängt das vom Satelliten 9 ausgesendete Notsignal und leitet das Notsignal an eine auf der Erdoberfläche angeordnete Empfangsstation 11 für Notsignale weiter. Die Empfangsstation 11 leitet den Notruf an ein Satellitenkontrollzentrum 10 weiter, welches für den Betrieb des in einer Notsituation befindlichen Satelliten verantwortlich ist.
Der in 2 detailliert dargestellte Funktionsblock 1 weist fünf Funktionsblöcke 12 bis 16 auf. Erfolgt eine Notfallmitteilung vom Bordrechner 2 des Satelliten 9, so wird zunächst autonom und in Echtzeit eine Notfallnachricht generiert (Funktionsblock 12), welche neben einer Identifikationsnummer, die den Satelliten kennzeichnet, weitere Parameter, wie die Art der aufgetretenen Störung oder den Zeitpunkt der Störung, enthalten kann. Diese Nachricht wird mittels eines Modulators 13 in bekannter Weise, beispielsweise mittels Frequenzmodulation, auf eine Trägerfrequenz moduliert, die über eine Sendeeinheit 14 und eine Antenne 15 mit hemisphärischer oder omnidirektionaler Abstrahlung gesendet wird.
Für den Fall, dass die Bandbreite des Kommunikationssystems im Satelliten 6 die hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Satelliten 9 und dem Satelliten 6 nicht unterstützt, kann, vorausgesetzt die Satelliten 6, 7, und 8 gehören zu demselben System, eine bordautonome Dopplerkompensation durchgeführt werden. Hierzu werden die die Relativgeschwindigkeit betreffenden Informationen des Systems mit Hilfe der Funktionseinheit 5 über den Bordrechner 2 des Satelliten 9 an die Kommunikationseinheit 1 übertragen. Durch die Doppler-Kompensationseinheit 16 kann, basierend auf der Kenntnis entsprechender Relativgeschwindigkeiten, die Modulation des ausgesendeten Signals dergestalt verändert werden, dass der Empfang des Notsignals beim Satelliten 6 ohne Dopplerverschiebung möglich ist. Damit ist ein robuster Empfang des Notsignals im Empfänger des Satelliten 6 sichergestellt.
Die Nutzung bestehender und zukünftiger SAR-Kommunikationsnutzlasten kann mit der in 2 dargestellten Kommunikationseinheit 1 erreicht werden. So werden beispielsweise bestehende Nutzlasten des COSPAS-SARSAT Systems auf tief fliegenden Satelliten (LEOSAR) und geostationären Satelliten (GEOSAR) künftig durch SAR-Nutzlasten (MEOSAR) von GNSS er gänzt. Zur Nutzung des COSPAS-SARSAT Systems lässt sich die Kommunikationseinheit 1 für Notsignale so auslegen, dass ein Ausstrahlen des Signals bei 406 MHz erfolgt, wobei eine Nachricht mit einer Länge von 112 Bits bzw. 144 Bits im Frequenzmodulationsverfahren übertragen werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass als SAR-Nutzlast zur Weiterleitung des Notsignals ein damit ausgestatteter Satellit eines GNSS verwendet werden kann. Da für tief fliegende Satelliten jederzeit mindestens vier Satelliten eines GNSS sichtbar sind, beispielsweise vier Galileo-Satelliten, ist ein Empfang des Notsignals bei mindestens einem der GNSS-Satelliten sichergestellt. Damit sichert die Verwendung der Satelliten eines GNSS eine permanente globale Kommunikationsmöglichkeit für SAR und ermöglicht so den Empfang einer Notfallnachricht am Kontrollzentrum in Echtzeit.
Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum bordautonomen Erzeugen und Weiterleiten eines Notsignals in Echtzeit sind nachfolgend aufgeführt:

• Vorbereitung des Bodenbetriebspersonals auf eine Notsituation für den nächsten zu erwartenden Kontakt mit der Bodenstation;
• kurzfristige Anmietung zusätzlicher Bodenstationen zur Verkürzung der durch die geographische Verteilung der Bodenstationen gegebenen Kommunikationslücken;
• Reduzieren des Bodenpersonals im Routinebetrieb aufgrund permanenter Kenntnis über die Nominalität der Mission sowie
• Reduzieren der Versicherungsprämien im Routinebetrieb der Mission durch verbesserte Kenntnis des Missionszu standes und der gegebenenfalls zu treffenden Maßnahmen.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen im Marktpotential bei der Entwicklung neuer SAR-Untersysteme für Satelliten in der Raumfahrtindustrie, der Erweiterung der SAR-Funktionalität bestehender Systeme auf Raumfahrtanwendungen und der Implementierung einer Notruf-Prozesskette bei Betreibern von Satellitenmissionen.

1: Kommunikationseinheit für Notsignale
2: Satellitenbordcomputer
3, 4: Satellitenuntersystem (z.B. Lagekontrolle)
5: Satellitennavigationsempfänger
6: Kommunikationssatellit
7, 8: Navigationssatellit
9: Satellit
10: Satellitenkontrollzentrum des Satelliten mit Notfallsituation
11: Empfangsstation für Notsignale
12: Einheit zur Erzeugung einer digitalen Notfallnachricht
13: Modulator
14: Sendeeinheit
15: Sendeantenne
16: Doppler Kompensationseinheit

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Notsignals an Bord eines Satelliten und dessen Übertragung, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen eines schweren Systemfehlers an Bord eines Satelliten (9) von einer auf dem Satelliten (9) vorgesehenen Kommunikationseinheit (1) sofort ein Notsignal erzeugt wird, das Notsignal zeitnah über einen zweiten mit einer geeigneten Kommunikationseinheit ausgestatteten Satelliten (6) an eine Empfangsstation (11) übertragen wird, die für den Empfang von Notsignalen vorgesehen ist, und das Notsignal von der Empfangsstation (11) an ein für Satellitenbetrieb zuständiges Kontrollzentrum (10) weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Notsignal an Bord des Satelliten (9) bordautonom und in Echtzeit unter Nutzung einer Fehlermeldung des an Bord des Satelliten (9) befindlichen Rechners oder optional unter Nutzung der Signale eines globalen Satelliten-Navigationssystems erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kommunikationseinheit für Notsignale auf tief fliegenden Satelliten (LEOSAR), geostationären Satelliten (GEOSAR) oder Satelliten eines globalen Satellitennavigationssystems (MEOSAR), wie des Global Positioning Systems (GPS) und/oder Galileo vorhandene Kommunikationssysteme genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass existierende Search and Rescue Systeme (SAR), die für terrestrische, maritime oder luftfahrtgestützte Anwendungen genutzt werden, auf SAR-Anwendungen im Raumfahrtbereich erweitert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dopplerkompensation eines ausgesendeten Notsignals aufgrund von mittels eines Satellitennavigationsempfängers berechneten Relativgeschwindigkeiten zwischen dem von einer Störung betroffenen Satelliten (9) und dem mit einer Kommunikationseinheit ausgestatteten Satelliten (6) des Satellitennavigationssystems durchgeführt wird.
Verwendung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Notsignals und dessen Weiterleitung mit einer Kommunikationseinheit (1), welche aufweist eine Einheit (12) zum Erzeugen einer digitalen Notfallnachricht, einen Modulator (13), mittels welchem die Notfallnachricht auf eine Trägerfrequenz moduliert wird, und eine Sendeeinheit (14) mit einer nachgeordneten Antenne (15) mit hemisphärischer oder omnidirektionaler Abstrahlung, über welche die auf die Trägerfrequenz modulierte Notfallnachricht an einen Satelliten (6) mit einer geeigneten Kommunikationseinrichtung übertragen wird, an Bord eines Satelliten bei Auftreten eines schweren Systemfehlers am Satelliten.