BACARDIEin Katalog für Raumfahrtrückstände

Dipl.-Ing. (DH) Michael MeinelDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Simulations- und Softwaretechnik – Verteilte Systeme und KomponentensoftwareRosa-Luxemburg-Straße 2, 10178 Berlin

> BACARDI – Ein Katalog für Raumfahrtrückstände > Michael Meinel > 15.10.2013DLR.de • Folie 1

Das DLRDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

• Forschungseinrichtung• Raumfahrt-Agentur • Projektträger

DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013DLR.de • Folie 2

Standorte und Personal

DLR.de • Folie 3 DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013

Circa 7.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 32 Instituten und Einrichtungen in

16 Standorten.

Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington.

n Köln

n Oberpfaffenhofen

Braunschweig n

n Göttingen

Berlin n

n Bonn

n Neustrelitz

Weilheim n

Bremen n n Trauen

Lampoldshausen n

n Hamburg

Stuttgart n

Stade n

Augsburg n

Jülich n

Simulations- und Softwaretechnik

DLR.de • Folie 4 DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013

Zwei Abteilungen

• Verteilte Systeme und Komponentensoftware

• Software für Raumfahrtsysteme und interaktive Visualisierung

in Köln, Braunschweig und Berlin. n Köln

n Oberpfaffenhofen

Braunschweig n

n Göttingen

Berlin n

n Bonn

n Neustrelitz

Weilheim n

Bremen n n Trauen

Lampoldshausen n

n Hamburg

Stuttgart n

Stade n

Augsburg n

Jülich n

Inhalt

DLR.de • Folie 5 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

• „Weltraumschrott“• Entstehung und Prognose• Aktuelle Strategien zum Umgang

• Das BACARDI-System• Überblick• Design• „skynet“-Komponenten

• Ausblick

Bezeichnet alle nicht-aktiven, nicht-kooperativen orbitalen Objekte, wie z.B.

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 6

Was ist „Weltraumschrott“

Raketenoberstufen

Ausgebrannte oderdefekte Satelliten

Verlorene Gegenstände,Werkzeuge, etc.

… und Trümmer aller Art (z.B.aus Kollisionen von Satelliten odervon Technologiedemonstrationen).

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AS

A

• Derzeitige (katalogisierte) Weltraumpopulation (> 10 cm): 17 000 Teile, davon• 22% Satelliten (6% noch aktiv),• 11% Raketenteile,• 7% sonstige, missionsrelevante Objekte.

• Und die anderen 60%?• Viele Trümmerteile aus Explosionen

• Januar 2007: FengYun-1C• Februar 2009: Kollision von Iridium-33 und Kosmos-2251

• 5 600 neue Teile (Anstieg um ca. 50% im LEO)

• Aber: Gefahr bereits ab 1cm• Schätzwerte um 1 000 000 Objekte

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 7

Raumfahrtrückstände in Zahlen

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 8

Die Gefahr von Weltraumschrott

• Experten einig: Weltraumschrott muss Beachtung geschenkt werden.

• Konsens aus „6th European Conference on Space Debris“ (März 2013)

• Planung und Durchführung künftiger Missionen nur noch mit End-of-Life-Management. Satelliten müssen spätestens 25 Jahre nach Missionsende die Umlaufbahn verlassen haben.

• Evaluation und Implementation von aktiven Strategien zur Schrottentfernung.

• Aufbau und Pflege von Katalogen.

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 9

Weitere Entwicklung

Projektpartneraus dem DLR

DLR.de • Folie 10 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Deutsches Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC)

Institut für Optische Systeme(ab 2014)

• Missionsbetrieb und COLA-Dienst

• Initiator und Betreiber des Katalogs• Modelle und Numerik

• Aktives Laser-Tracking• Vorstufe zu ADR durch

Laserbeschuss

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BACARDI im Überblick

DLR.de • Folie 11 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Sensornetwork, e.g.

Optical Telescopes Tracking Radar Surveillance Radar Laser Tracking

SMARTnet TIRADLR Tracking

RadarDLR Scan

RadarGRAVES EISCAT

TP Demonstrator

BACARDI – Backend Catalog for Relational Debris Information

USSTRATCOM ESA AIUB ISON

User Group

WLZCOLA SystemPlanner

Sensor Scheduler

Monitoring & Control

ISON

Database

Sensor DataObservation Data

(Tracklets)

Correlated Observation

Object Candidates

Catalogue ObjectsEphemerides &

Covariance

Manoeuvre Data Object Properties

Processes

Import of Sensor Data

Import of Extern Orbital Information

Catalogue MergerSensor Data Processing

Identification

Orbit Prediction

Re-entry Prediction

Manoeuvre Identification

COLA Service

User Interface (regarding Data Policy)

Orbit Determination

Extern Orbital / Object Information, e.g.

• Auftrag der Katalogerstellung mit Rahmenbedingungen:• Modelle und Numerik kommen vom GSOC (FORTRAN)• Bereitstellung der Schnittstellen nach außen• Skalierbarkeit bis zu 1 000 000 Objekte• Basisdemonstrator bis Ende 2013 (1 Jahr)

• Alles andere bleibt selbst zu entscheiden!

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 12

Grundlegende Überlegungen

• Schnelles Prototyping• Großes Ökosystem• Einfache Integration von FORTRAN-Code• Beliebt in der Wissenschaft (numpy, scipy)

Systemanalyse 1

DLR.de • Folie 13 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

RDBMS

RDBMS

RDBMS

RDBMS RDBMS

RDBMS

RDBMS

Cache

Import Import

Process

Process Process

Process

ProcessProcess

Systemanalyse II

DLR.de • Folie 14 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

RDBMS

Cache

Import

Processing

Python

FORTRAN

Middlew

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Sicherheit

Nachvollziehbarkeit

• Einfach• Datenparallel• Schnell• Riesige Anzahl

Export

• Entwicklung einer neuen, spezialisierten Middleware:

• Dezentrale Message Queues

• Skalierbares, selbstorganisiertes Netzwerk

• Minimaler Netzwerk-Overhead

• Plattformunabhängig (Betrieb unter Linux, Entwicklung und Windows…)

• Automatische Aufzeichnung aller Aktivitäten (rechtliche Aspekte, Wiederherstellung von Ergebnissen)

• Arbeitstitel für dieses „network for surveillance of the sky“: skynet

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 15

Entscheidungen

skynet.network

DLR.de • Folie 16 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

• Grundlegende Netzwerkschicht mit ZeroMQ

• „Device“ als abstrakter Endpunkt• XML-Konfiguration (kompatibel zu

ZDCF)• Automatische Verbindung zu

passenden anderen „Devices“• Kompression großer Pakete• (De-)Serialisierung von ProtoBuf-

Messages• Vorbereitet für Verschlüsselung

und Signierung

• Synchron oder Asynchron

skynet.record

DLR.de • Folie 17 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

• Aufzeichnen aller Aktivitäten im System: Provenance

• Mehrere Provenance-Stores im System erlaubt / gefordert

• Nur einer Speichert den Datensatz!

• Derzeit Persistenz der Daten mit Neo4J

• Offene Fragen• Beweissicherheit von

Provenance-Daten?

• Basis für Datenmodellierung mit ProtoBuf

• Bereitstellung grundlegender Datentypen als ProtoBuf Messages (z.B. 3D-Vektor, 6D-Vektor, Orbitalelement, …)

• Interfaces für Caching

• ORM für ProtoBuf-Messages mit SQLAlchemy• (fast) ohne zusätzliche Annotation• Optimiert SELECTs durch JOINs!• Erweiterte Abfragen möglich

• Device für Datenbankanbindung

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 18

skynet.model

• Abstraktionsschicht für Prozessoren• Keine Auseinandersetzung mit Netzwerkkram• Automatisches Caching, falls gewünscht

• Einfache Einbindung von Prozessoren• … als Unterprozesse. (Datenaustauch über Disk-IO bzw. Named Pipes.)• … als FORTRAN / C Modul mit einem Python-Wrapper.• … als pures Python-Modul

• Worker-Device bietet verschiedene Prozessoren an• Keine interne Parallelisierung (wegen GIL) Ein Device pro CPU oder im FORTRAN-/C-Modul parallelisieren

• Automatische Provenance-Aufzeichnung

• Ebenfalls als (FORTRAN-freundliche) C-Bibliothek geplant.

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 19

skynet.process

• Prototyp für bis 10 000 Objekte bis Ende des Jahres• Implementierung im GSOC (ohne externen Zugang)

• skynet-Code• … ist ein echter Prototyp (und wird komplett ersetzt).• … soll als OpenSource bereitgestellt werden.

• Ab 2014 wesentliche Erweiterung das Projektes:• Erstellung eines eigenen, robotischen Sensor-Netzwerks (SMARTnet)• Erster öffentlicher Zugang• Neuimplementierung der GSOC-Dienste auf skynet-Basis• Entwicklung einer dezentralen Workflow-Engine

• Noch kein Logo! (Weder skynet, noch BACARDI)

> Vortrag > Autor • Dokumentname > DatumDLR.de • Folie 20

Status und Ausblick

Vielen Dank!

DLR.de • Folie 21 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

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