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Virtual Satellite

Zukunft des Model-Based Systems Engineering in der Raumfahrt

Virtual Satellite 3 in der CEF

Virtual Satellite ist ein internes DLR-Projekt, welches im Jahr 2007 gestartet wurde. Wie sein Name verrät, war das anfängliche Ziel den Aufbau eines Raumfahrzeugs, die Integration seiner Komponenten und das Verifizieren dessen Funktionalität (engl. assembly, integration and test, kurz AIT) mit digitalen simulierten Modellen zu unterstützen. Sehr bald verlagerte sich der Fokus auf die frühen Entwicklungsphasen und die Unterstützung der Concurrent Engineering Facility (CEF) in Bremen. Hier, an der Geburtsstätte neuer Raumfahrzeuge und Missionen, wurde ein intelligentes Werkzeug benötigt, das den Ingenieuren die gemeinschaftliche Arbeit an einer einheitlich digitalen Repräsentation des Systems ermöglicht. Diese kollaborative Komponente ist das Herzstück von Virtual Satellite.

Durch die kontinuierliche Evaluierung und Integration neuster Forschungsergebnisse sind mit den Softwareversionen Virtual Satellite 3 und 4 zwei der besten und fortschrittlichsten Werkzeuge zur Unterstützung des Design, der Entwicklung und der Produktion von zukünftigen Raumfahrzeugen entstanden. Sie basieren auf der Eclipse-Rich-Client-Plattform und sind in einer modernen Software-Engineering-Umgebung auf Basis der Programmiersprache Java entwickelt und geschrieben.

Virtual Sattelite 3 zielt hauptsächlich darauf ab, die Arbeit in der CEF zu unterstützen. Es wurde entwickelt, um die Zusammenarbeit während einer Designstudie zu verbessern und den Ingenieuren die Entwicklung eines gemeinsamen digitalen Entwurfs ihres Raumfahrzeugs zu ermöglichen. Die Grundlage bildet ein einfaches Datenmodell, welches perfekt auf die Anforderungen der Ingenieure und der Art und Weise, wie die CEF-Studien durchgeführt werden, abgestimmt ist. Obwohl es schlicht gehalten wurde, lässt es den Ingenieuren genug Spielraum, um ihre Kreativität auszuleben. Virtual Satellite ist einfach zu bedienen und lenkt nicht von der eigentlich Aufgabe, dem Entwurf eines Raumfahrzeuges, ab. Neben dem täglichen Geschäft in der CEF hat Virtual Satellite zudem einige zukunftsweisende neue Richtungen, wie beispielsweise in Continuous Verification oder visueller Fahrzeugkonfiguration, eingeschlagen. Die Software wurde in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Systemanalyse Raumsegment entwickelt. Sie ist frei zum Download verfügbar.

Flexibel erweiterbares Datenmodell

Virtual Satellite Software

Virtual Satellite 4 weist eine vollständig überarbeitete neue Plattform auf. Durch sein flexibles Datenmodell kann es an die unterschiedlichen Anforderungen der individuellen Ingenieursaufgaben und Projektanforderungen angepasst werden. Der ursprüngliche Gedanken war es, ein Datenmodell und eine Systems-Engineering-Sprache, die mit allen möglichen Aufgaben umgehen können, zu entwickeln. Nun konzentriert sich jedoch unser neuer Ansatz auf die Notwendigkeiten, die eine schlichte und einfach zu bedienende Anwendung mit sich bringt. Das Datenmodell von Virtual Satellite 4 kann durch verschiedene Konzepte erweitert werden, welche sich aus einer Art „Konzept-Store“ laden und aktivieren lassen. Ein Konzept besteht aus einer Erweiterung des Grunddatenmodells und den entsprechenden Funktionalitäten, wie einem User Interface. Dieser konzeptbasierte Erweiterungsmechanismus ermöglicht die Auslieferung von Virtual Satellite 4 in drei Produktlinien:

1. „Virtual Satellite 4 Core“ als Kernanwendung bietet alles, was benötigt wird, um mit dem Entwurf eines Systems zu beginnen. Weiterführende Funktionalitäten können über Konzepte hinzugefügt oder durch Experten mithilfe der Virtual-Satellite-Entwicklungswerkzeuge implementiert werden. Diese bieten eine domainspezifische Sprache (DSL) für eine einfache Beschreibung der Datenmodellerweiterung. Codegeneratoren nutzen diese Beschreibung, um grundlegenden Funktionalitäten in die Software zu integrieren und damit die sofortige Arbeit mit der Erweiterung zu ermöglichen.
2. „Virtual Satellite 4 Research“ basiert auf Core. Promotionsstudenten entwickeln hier ihre individuellen Anwendungen mit ihrem eigenen Proof-of-Concept. Diese sind abgegrenzt von der produktiven Software und erlauben damit auch Fehler, die sonst nicht akzeptabel sind. So wird Spielraum für Experimente und deren wissenschaftlichen Erträge geschaffen.
3. „Powered by Virtual Satellite 4“ und andere Erweiterungen von Virtual Satellite. Diese Anwendungen sind maßgeschneidert für unterschiedliche Projekte, wie beispielsweise das DLR-interne Projekt S2tep. Dort werden Funktionalitäten implementiert, die speziell auf die Anforderungen des Projektes abgestimmt sind. Detailliertere Informationen, wie die Software S2tep unterstützt, sind in folgender Publikation zu finden (Veröffentlichung).

Die Forschungsplattform

Modellierung im VR-Labor

Das Projekt Virtual Satellite dient als Plattform für eine weiterführende Methodenforschung mit Bezug auf den kompletten Entwicklungslebenszyklus des Systems Engineering für die Raumfahrt. Die Ergebnisse aus diesen Forschungsarbeiten werden wiederum in den Produktionsversionen zur Verfügung gestellt. Ganz neue Arbeits- und Denkweisen im Kontext des Model-Based Systems Engineering (MBSE) konnten auf diese Weise evaluiert werden.. Einige Aktivitäten sind beispielsweise:

• Modellierungsmethoden – Obwohl sich die klassischen Modellierungssprachen UML und SysML als gute Ansätze für das Systems Engineering erwiesen haben, zeigten sich jedoch starke Einschränkungen in der Anwendbarkeit für unsere Zwecke. Dies führte uns beispielsweise zu den Fragestellungen der mehrschichtigen Modellierung. Trotz der allgemein anerkannten Syntax der Sprachen UML und SysML mussten wir die semantischen und ontologischen Bedeutungen hinsichtlich des Raumfahrzeugentwurfs hinterfragen. Bisher konnten wir noch nicht alle Fragen beantworten, aber unsere wissenschaftliche Ausrichtung zielt darauf ab.
• Formale Verifikation – Die Unterstützung durch digitale Entwürfe ist allgemeine Praxis. In der Vergangenheit wurden sie jedoch schlicht um ihrer selbst willen erstellt. Heutzutage dienen sie jedoch mehr und mehr dem Verständnis und der Verifizierung in den frühen Phasen, bevor die ersten eigentlichen physikalischen Umsetzungen existieren. Sehr oft wird dies durch eine Simulation des Systems erreicht, es existieren jedoch auch andere Möglichkeiten. Mathematische Formalisierungen bereiten den Weg für rigorose Beweisführung zu bestimmten Systemeigenschaften. Dies gibt die Sicherheit, dass sich das System in jedem potentiellem Fall und nicht nur in den oft wenigen simulierten Szenarien wie erwartet verhält.

Modellinteraktionen – Heutzutage nutzen die meisten Systems-Engineering-Werkzeuge die klassischen Diagramme im UML-Stil, um Modelle zu erstellen und zu definieren. Im Rahmen von Vitual Satellite versuchen wir neue Technologien in Modellierungsaktivitäten einzubinden. Beispielsweise bietet interaktive 3D-Visualisierung neue Möglichkeiten Raumfahrzeugentwürfe zu erstellen und zu diskutieren (Veröffentlichung). Darüber hinaus untersuchen wir das Potential von Smart Devices, mobilen Anwendungen, Spracherkennung und Virtual-Reality-Hardware für den gewinnbringenden Einsatz in der Missionsplanung.

Der Virtual Satellite ermöglicht bereits heute die Digitalisierung des kompletten Lebenszyklus eines Raumfahrzeugs. Wir versuchen damit die besten und fortschrittlichsten MBSE-Anwendungen im Raumfahrtbereich zu entwickeln und sehen in unserer Software sogar einen geeigneten Grundpfeiler, der die Vision der Industrie 4.0 auch für die Raumfahrt Wirklichkeit werden lässt.