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DLR.de • Folie 1

> BACARDI – Ein Katalog für Raumfahrtrückstände > Michael Meinel > 15.10.2013

BACARDI
Ein Katalog für Raumfahrtrückstände

Dipl.-Ing. (DH) Michael Meinel
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Simulations- und Softwaretechnik – Verteilte Systeme und Komponentensoftware
Rosa-Luxemburg-Straße 2, 10178 Berlin
DLR.de • Folie 2

DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013

Das DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

• Forschungseinrichtung
• Raumfahrt-Agentur
• Projektträger
DLR.de • Folie 3

DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013

Standorte und Personal
Circa 7.400 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter arbeiten in
32 Instituten und Einrichtungen in
16 Standorten.

Stade   Hamburg
Bremen 

 Trauen

Berlin 

Braunschweig 

Büros in Brüssel, Paris,
Tokio und Washington.

 Neustrelitz

 Göttingen
Jülich

 Köln
 Bonn

Lampoldshausen 
Stuttgart 
Augsburg 

 Oberpfaffenhofen

Weilheim 
DLR.de • Folie 4

DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013

Simulations- und Softwaretechnik
Zwei Abteilungen
Stade   Hamburg

• Verteilte Systeme und
Komponentensoftware
• Software für Raumfahrtsysteme und
interaktive Visualisierung
in Köln, Braunschweig und Berlin.

Bremen 

 Neustrelitz

 Trauen

Berlin 

Braunschweig 

 Göttingen
Jülich

 Köln
 Bonn

Lampoldshausen 
Stuttgart 
Augsburg 

 Oberpfaffenhofen

Weilheim 
DLR.de • Folie 5

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

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

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

• Ausblick
DLR.de • Folie 6

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Was ist „Weltraumschrott“

Quelle: NASA

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

Verlorene Gegenstände,
Werkzeuge, etc.

Quelle: NASA

Ausgebrannte oder
defekte Satelliten

Raketenoberstufen

… und Trümmer aller Art (z.B.
aus Kollisionen von Satelliten oder
von Technologiedemonstrationen).
DLR.de • Folie 7

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Raumfahrtrückstände in Zahlen
• 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
DLR.de • Folie 8

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Die Gefahr von Weltraumschrott
DLR.de • Folie 9

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Weitere Entwicklung
• 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-LifeManagement. Satelliten müssen spätestens 25 Jahre nach Missionsende
die Umlaufbahn verlassen haben.
• Evaluation und Implementation von aktiven Strategien zur
Schrottentfernung.
• Aufbau und Pflege von Katalogen.
DLR.de • Folie 10

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Projektpartner
aus dem DLR

• Initiator und Betreiber des Katalogs
• Modelle und Numerik

Institut für Optische Systeme
(ab 2014)
• Aktives Laser-Tracking
• Vorstufe zu ADR durch
Laserbeschuss

Quelle: scienceblogs.com

Deutsches
Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC)
• Missionsbetrieb und COLA-Dienst
DLR.de • Folie 11

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

BACARDI im Überblick
Sensornetwork, e.g.
Optical Telescopes
SMARTnet

ISON

Tracking Radar
TIRA

Surveillance Radar

DLR Tracking
Radar

DLR Scan
Radar

GRAVES

Laser Tracking
EISCAT

TP
Demonstrator

BACARDI – Backend Catalog for Relational Debris Information
Database

Processes

Sensor Data

Observation Data
(Tracklets)

Import of Sensor
Data

Import of Extern
Orbital Information

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Observation

Object Candidates

Sensor Data
Processing

Catalogue Merger

Catalogue Objects

Ephemerides &
Covariance

Identification

Manoeuvre
Identification

Manoeuvre Data

Object Properties

Orbit Determination

Orbit Prediction

COLA Service

Re-entry Prediction

User Interface (regarding Data Policy)

Monitoring
& Control
Sensor Scheduler

Planner

COLA System
User Group

WLZ

USSTRATCOM

ESA

AIUB

Extern Orbital / Object Information, e.g.

ISON
DLR.de • Folie 12

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Grundlegende Überlegungen
• 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!

•
•
•
•

Schnelles Prototyping
Großes Ökosystem
Einfache Integration von FORTRAN-Code
Beliebt in der Wissenschaft (numpy, scipy)
DLR.de • Folie 13

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Systemanalyse 1

RDBMS

RDBMS

Import

RDBMS

RDBMS

Process

RDBMS

Cache

Process

RDBMS

RDBMS

Import

Process

Process

Process

Process
DLR.de • Folie 14

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Systemanalyse II

RDBMS

Sicherheit
Nachvollziehbarkeit

Middleware

Cache

Python
Processing
FORTRAN
Import

Export

•
•
•
•

Einfach
Datenparallel
Schnell
Riesige Anzahl
DLR.de • Folie 15

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Entscheidungen
• 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
DLR.de • Folie 16

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

skynet.network
• 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 ProtoBufMessages
• Vorbereitet für Verschlüsselung
und Signierung
• Synchron oder Asynchron
DLR.de • Folie 17

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

skynet.record
• 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?
DLR.de • Folie 18

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

skynet.model
• Basis für Datenmodellierung mit ProtoBuf
• Bereitstellung grundlegender Datentypen als ProtoBuf Messages (z.B. 3DVektor, 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
DLR.de • Folie 19

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

skynet.process
• 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.
DLR.de • Folie 20

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Status und Ausblick
• 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)
DLR.de • Folie 21

> Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum

Quelle: badhaven.com

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BACARDI - Ein Katalog für Raumfahrtrückstände

  • 1. DLR.de • Folie 1 > BACARDI – Ein Katalog für Raumfahrtrückstände > Michael Meinel > 15.10.2013 BACARDI Ein Katalog für Raumfahrtrückstände Dipl.-Ing. (DH) Michael Meinel Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Simulations- und Softwaretechnik – Verteilte Systeme und Komponentensoftware Rosa-Luxemburg-Straße 2, 10178 Berlin
  • 2. DLR.de • Folie 2 DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013 Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt • Forschungseinrichtung • Raumfahrt-Agentur • Projektträger
  • 3. DLR.de • Folie 3 DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013 Standorte und Personal Circa 7.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 32 Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten. Stade   Hamburg Bremen   Trauen Berlin  Braunschweig  Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington.  Neustrelitz  Göttingen Jülich  Köln  Bonn Lampoldshausen  Stuttgart  Augsburg   Oberpfaffenhofen Weilheim 
  • 4. DLR.de • Folie 4 DLR-Standardfoliensatz • Oktober 2013 Simulations- und Softwaretechnik Zwei Abteilungen Stade   Hamburg • Verteilte Systeme und Komponentensoftware • Software für Raumfahrtsysteme und interaktive Visualisierung in Köln, Braunschweig und Berlin. Bremen   Neustrelitz  Trauen Berlin  Braunschweig   Göttingen Jülich  Köln  Bonn Lampoldshausen  Stuttgart  Augsburg   Oberpfaffenhofen Weilheim 
  • 5. DLR.de • Folie 5 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Inhalt • „Weltraumschrott“ • Entstehung und Prognose • Aktuelle Strategien zum Umgang • Das BACARDI-System • Überblick • Design • „skynet“-Komponenten • Ausblick
  • 6. DLR.de • Folie 6 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Was ist „Weltraumschrott“ Quelle: NASA Bezeichnet alle nicht-aktiven, nicht-kooperativen orbitalen Objekte, wie z.B. Verlorene Gegenstände, Werkzeuge, etc. Quelle: NASA Ausgebrannte oder defekte Satelliten Raketenoberstufen … und Trümmer aller Art (z.B. aus Kollisionen von Satelliten oder von Technologiedemonstrationen).
  • 7. DLR.de • Folie 7 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Raumfahrtrückstände in Zahlen • 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
  • 8. DLR.de • Folie 8 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Die Gefahr von Weltraumschrott
  • 9. DLR.de • Folie 9 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Weitere Entwicklung • 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-LifeManagement. Satelliten müssen spätestens 25 Jahre nach Missionsende die Umlaufbahn verlassen haben. • Evaluation und Implementation von aktiven Strategien zur Schrottentfernung. • Aufbau und Pflege von Katalogen.
  • 10. DLR.de • Folie 10 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Projektpartner aus dem DLR • Initiator und Betreiber des Katalogs • Modelle und Numerik Institut für Optische Systeme (ab 2014) • Aktives Laser-Tracking • Vorstufe zu ADR durch Laserbeschuss Quelle: scienceblogs.com Deutsches Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) • Missionsbetrieb und COLA-Dienst
  • 11. DLR.de • Folie 11 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum BACARDI im Überblick Sensornetwork, e.g. Optical Telescopes SMARTnet ISON Tracking Radar TIRA Surveillance Radar DLR Tracking Radar DLR Scan Radar GRAVES Laser Tracking EISCAT TP Demonstrator BACARDI – Backend Catalog for Relational Debris Information Database Processes Sensor Data Observation Data (Tracklets) Import of Sensor Data Import of Extern Orbital Information Correlated Observation Object Candidates Sensor Data Processing Catalogue Merger Catalogue Objects Ephemerides & Covariance Identification Manoeuvre Identification Manoeuvre Data Object Properties Orbit Determination Orbit Prediction COLA Service Re-entry Prediction User Interface (regarding Data Policy) Monitoring & Control Sensor Scheduler Planner COLA System User Group WLZ USSTRATCOM ESA AIUB Extern Orbital / Object Information, e.g. ISON
  • 12. DLR.de • Folie 12 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Grundlegende Überlegungen • 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! • • • • Schnelles Prototyping Großes Ökosystem Einfache Integration von FORTRAN-Code Beliebt in der Wissenschaft (numpy, scipy)
  • 13. DLR.de • Folie 13 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Systemanalyse 1 RDBMS RDBMS Import RDBMS RDBMS Process RDBMS Cache Process RDBMS RDBMS Import Process Process Process Process
  • 14. DLR.de • Folie 14 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Systemanalyse II RDBMS Sicherheit Nachvollziehbarkeit Middleware Cache Python Processing FORTRAN Import Export • • • • Einfach Datenparallel Schnell Riesige Anzahl
  • 15. DLR.de • Folie 15 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Entscheidungen • 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
  • 16. DLR.de • Folie 16 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum skynet.network • 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 ProtoBufMessages • Vorbereitet für Verschlüsselung und Signierung • Synchron oder Asynchron
  • 17. DLR.de • Folie 17 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum skynet.record • 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?
  • 18. DLR.de • Folie 18 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum skynet.model • Basis für Datenmodellierung mit ProtoBuf • Bereitstellung grundlegender Datentypen als ProtoBuf Messages (z.B. 3DVektor, 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
  • 19. DLR.de • Folie 19 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum skynet.process • 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.
  • 20. DLR.de • Folie 20 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Status und Ausblick • 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)
  • 21. DLR.de • Folie 21 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum Quelle: badhaven.com Vielen Dank!