Formatievliegen in de ruimte gesimuleerd met Belgische software

Met een nieuw door het Belgische Spacebel ontwikkelde op software gebaseerde testbed kunnen ESA en teams uit de industrie alvast vertrouwd geraken met toekomstige missies met meerdere satellieten, te beginnen met het ESA-programma Proba 3.

De problemen van formatievliegen kunnen nauwelijks overschat worden. Aparte stukken hardware, die miljoenen euro's kosten en met een snelheid van meerdere kilometers per seconde door de ruimte razen, moeten tot amper enkele meters afstand van elkaar worden gehouden en hun relatieve posities moeten nauwgezet behouden blijven. Als men over slechts één element van de formatie de controle verliest, al is het maar tijdelijk, dan kan dat de vernietiging van de andere onderdelen betekenen. Volgens de wetten van de baandynamica hebben ze de neiging om zich van elkaar te verwijderen als ze rond de aarde draaien en daar moet men rekening mee houden. Maar anderzijds er specifieke opdrachten die alleen met formatievliegen kunnen worden uitgevoerd. En een nieuwe manier om hun banen te berekenen zou ze kunnen helpen realiseren.

Het Formation Flying TestBed is een uitgebreide reeks software op met elkaar verbonden computers, die alle aspecten van het vliegen in formatie kan simuleren. Deze nieuwe faciliteit wordt beheerd door de afdeling Software Systems van de ESA-vestiging ESTEC in Noordwijk (Nederland) en is analoog aan de reeds operationele End-to-End Avionics Test Bench, met dat verschil dat het meer dan één ruimtetuig tegelijk aankan.

'Het is een bijzondere simulator voor missies die in formatie vliegen, of het nu gaat om twee ruimtetuigen of zelfs vijf of zes', verklaart Raffaella Franco van de sectie System Modelling and Verification. 'Simulaties vergen sowieso intens computergebruik, maar de emulatie van de boordcomputers en –software van meer dan één ruimtetuig kan niet met een enkele CPU gebeuren, bovenop de rest van de satelliet en de bijbehorende systemen op de grond en links tussen satellieten onderling.'

'In plaats daarvan maakt het Formation Flying TestBed gebruik van de HLA-standaard (High Level Architecture), die software over verschillende computers verspreidt, zonder problemen voor gebruikers.

Het testbed zal worden gebruikt om de cruciale operationele factoren te bestuderen die met formatievliegen gepaard gaan, zoals het opvolgen van de missie en de satelliet, navigatie en controle, het detecteren van fouten, isolatie en recuperatie en links tussen satellieten. De faciliteit kan gebruikt worden voor alle stadia in de levenscyclus van een project van de evaluatie van het ontwerp tijdens de vroege Phase B-studies tot de validatie van de software aan boord van de satelliet en het volledige systeem, wanneer dat in een later stadium geïntegreerd en getest wordt. Het kan ook worden gebruikt om vluchtleiders op te leiden, operationele procedures voor te bereiden en zelfs om problemen op te lossen, eens een baan om de aarde is bereikt.

Het Formation Flying Testbed is ook in overeenstemming met de SMP-standaard (Simulation Model Portability), waardoor simulaties gedeeld kunnen worden over verschillende systemen heen. Als een belangrijke gebruiker van ruimtesimulaties, leidde ESA de ontwikkeling van SMP via de European Cooperation for Space Standardization (ECSS).

Voor de ontwikkeling van het testbed werd een demonstratiemodel tot stand gebracht, dat gebaseerd is op Proba 3, de eerste missie van ESA waarbij in formatie wordt gevlogen en waarvan de lancering in 2014-2015 voorzien is. De twee Proba 3-ruimtetuigen zullen de eerste 'externe coronagraaf' in de ruimte vormen. Een ruimtetuig zal de zon kunstmatig verduisteren en het andere zal de verduistering waarnemen. Op die manier kunnen fijne details in het binnenste deel van de zonnecorona worden waargenomen.

Het Formation Flying Testbed werd ontwikkeld door het Belgische Spacebel, dat ook verantwoordelijk is voor de vluchtsoftware voor Proba 3. Het project werd ondersteund door het General Support Technology Programme (GSTP) van ESA. Dat is bedoeld om basisprototypes om te vormen tot operationele hardware.

Naast het verduisteren van de zon zijn er nog andere veelbelovende toepassingen van formatievliegen zoals ‘sparse aperture’ radio- of optische sterrenkunde: via het combineren van signalen van verschillende kleine satellieten kunnen opnamen tot stand komen die even scherp zijn als die van een enkele grote telescoop - op voorwaarde dat men ze nauwkeurig op hun plaats kan houden – en in het algemeen alle toepassingen die anders niet mogelijk zouden zijn door de fysieke beperkingen die er bij één enkele satelliet zijn (grote opening, baseline, brandpuntafstand enz…)