MBSE für Kleinsatelliten

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Mitte Januar war ich beim Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart, um mit Mitarbeitern des Kleinsatellitenprogramms einen zweitägigen MBSE-Workshop (Model Based Systems Engineering) mit SysML durchzuführen.

Der Transport eines Satelliten mit Hilfe einer Trägerrakete von der Erdoberfläche in seine Bahn (Orbit) ist vor allem eine sehr kostenspielige Angelegenheit. Die Abmessungen und die Masse (Gewicht) des Satelliten spielen dabei eine große Rolle. Ein Satellit besteht, neben der Satellitenplattform, im Wesentlichen aus den wissenschaftlichen, kommerziellen oder militärischen Nutzlasten (Payloads), beispielsweise Meßeinrichtungen, Sende-/Empfangssysteme oder optische Systeme zur Erdbeobachtung. Daher kommt der Trend zur Miniaturisierung, und in Folge dessen auch die damit verbundenen Gewichtseinsparungen, diesen Systemen zu Gute. Mittlerweile sind mit Nutzlasten von ein paar Kilo Gewicht und mit geringer Stromaufnahme wissenschaftliche Untersuchungen möglich, die vor einigen Jahren noch völlig undenkbar gewesen wären.

Klein, aber oho: der Flying Laptop

[caption id="attachment_6549" align="alignright" width="300"] Der Kleinsatellit Flying Laptop. Die roten Teile sind die Nutzlasten.[/caption]

Im Rahmen des Stuttgarter Kleinsatellitenprogramms werden am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) mehrere verschiedene Kleinsatelliten (small satellites) entwickelt und gebaut. Als erster Kleinsatellit soll dort der Flying Laptop (FLP) entstehen, bei dessen Mission die Erdbeobachtung und die Technologieerprobung für zukünftige Vorhaben im Mittelpunkt stehen werden. Zu den Missionszielen zählen u.a. die Überprüfung der Tauglichkeit einer kommerziellen Panorama Kamera (PAMCAM) für Raummissionen, die Verifikation eines neuen single-board Computers basierend auf einem System-On-Chip (SoC) Design, die Schiffsidentifikation aus dem Orbit mit Hilfe von AIS (Automatic Identification System) in Verbindung mit einem multispektralen Kamerasystem (MICS), die Erprobung eines neuen, optischen High-Speed-Datenlinks auf Infrarotbasis (OSIRIS), u.v.m. Des weiteren ist auch die Bildungsarbeit ein Missionsziel, denn die Entwicklung, der Bau sowie der spätere Betrieb des Flying Laptop werden primär von Doktoranden und Studenten durchgeführt.

Nur weil durch die Miniaturisierung die Systeme kleiner und leichter werden, werden sie nicht einfacher: die Anforderungen steigen und somit nimmt auch die Komplexität zu. Daher sieht man auch im Kleinsatellitenprogramm das Model Based Systems Engineering (MBSE) mit der grafischen Modellierungssprache SysML als Chance, um mit dieser steigenden Systemkomplexität angemessen umgehen zu können.

Der Workshop

Bei dem zweitägigen MBSE-Workshop wurden die verschiedenen, methodischen Bausteine des pragmatischen Vorgehensmodells SYSMOD am Flying Laptop erprobt. Dabei wurden keine neuen Fachlichkeiten entdeckt, denn der Kleinsatellit ist bereits spezifiziert und befindet sich in der Entwicklung. Dennoch starteten wir entsprechend der Methodik zunächst mit der Systemanalyse, also mit der Fragestellung: Was soll das System leisten? Als erstes modellierten wir den Systemkontext, um das zu entwickelnde System - den Satelliten - von seiner Umwelt (externe Akteure und Fremdsysteme) abzugrenzen. Schon dabei tauchten interessante Fragen auf, wie beispielsweise: Ist die Bodenstation ein externes Fremdsystem, oder sind vielmehr die Mitarbeiter in der Bodenstation die Akteure? Hierbei ist es eine gute Strategie, neben dem fachlichen Systemkontext, der die Akteure aus fachlicher Sicht zeigt, auch einen erweiterten Systemkontext anzufertigen, der die technischen Systeme darstellt, die als Grenzsysteme zu den fachlichen Akteuren dienen.

Des Weiteren wurde auch die Anforderungsseite beleuchtet. Die Missionsziele lassen sich sehr gut mit dem SYSMOD-Stereotyp «objective» im Modell erfassen. Von diesen Missionszielen haben wir mit der Ableitungsbeziehung «deriveReqt» verschiedenartige funktionale und nicht-funktionale Anforderungen abgeleitet und verfeinert. Weiterhin haben wir auch einige Anwendungsfälle (Use Cases) ermittelt, die durch die Missionziele der Erdbeobachtung und Technologieerprobung bestimmt werden (z.B. "Carry out multi-angular earth observations"). Durch die Zielsetzung des Flying Laptops als Technologiedemonstrator für kommende Missionen zu dienen, stellt sowohl die eigentliche Nutzlast, als auch die für die Mission entwickelte Satellitenplattform Anforderungen und Anwendungsfälle an das System. Die sich daraus ergebenden Herausforderungen liegen zum Beispiel in der sauberen Identifizierung und Abgrenzung der verschiedenen Anwendungsfälle.

Beim Systemdesign haben wir uns zunächst mit der hierarchischen Dekomposition des Systems befasst, wodurch der typische Produktbaum als Blockdefinitionsdiagramm (bdd) entstanden ist. Im Internen Blockdiagramm (ibd) wurden dann die internen Strukturen modelliert. Auch dabei sind interessante Diskussionen aufgekommen, z.B. wie mit dem so genannten Harness (dt. Kabelgeschirr/Kabelbaum) umzugehen ist, der alle Subsysteme miteinander verbindet.

Fazit: MBSE als Werzeug zur Komplexitätsbewältigung

[caption id="attachment_6548" align="alignleft" width="300"] Das Entwicklerteam mit dem Struktur-Thermal-Modell des Flying Laptop[/caption]

„Model Based Systems Engineering sehe ich als das Werkzeug der nächsten Jahre um den Umgang mit Komplexität in Entwicklungsprojekten zu verbessern. Die Unterstützung bei der Identifikation der verschiedenen Systemzusammenhänge im Team ermöglicht eine ausgezeichnete Diskussionsgrundlage und dient gleichzeitig als Dokumentation des aktuellen Entwicklungsstands. Dadurch wird MBSE uns im weiteren Projektverlauf einiges an Dokumentationsaufwand ersparen und Mehrfachiterationen über die selben Entwicklungsschritte aufgrund lückenhafter Dokumentation verringern.”

(Dipl.-Ing. Marek Dittmar, Attitude Control System, Small Satellite Group)

Zum Abschluß des Workshops hatte ich dann noch die Gelegenheit, mir das gerade fertiggestellte Struktur-Thermal-Modell (STM) des Flying Laptop ansehen zu dürfen. Wie der Name es schon ein wenig impliziert dient es der Qualifikation der Satellitenstruktur und des Thermalsystems. Dazu durfte ich mit in den Reinraum, wo neben dem STM auch die gesamte Entwicklermannschaft versammelt war. Als Gast konnte ich mich dann auch gleich nützlich machen und das nebenstehende Gruppenfoto des Teams rund um Prof. Dr. Hans-Peter Röser schießen.

(Veröffentlichung der FLP-Abbildung und des Gruppenfotos mit freundlicher Genehmigung des IRS)