Der Satellit ist nur 30 cm hoch (Cubesat 3U), enthält aber einen experimentellen Computer, der zehnmal leistungsfähiger ist als jeder derzeitige ESA-Raumwagen.

Live-Tests von Missionskontrollsystemen sind äußerst schwierig. Niemand möchte Risiken mit einem bestehenden und wertvollen Satelliten eingehen, weshalb das Testen neuer Verfahren, Techniken oder Systeme im Orbit in der Regel nicht möglich ist. OPS-SAT ist ein kostengünstiger, sicherer und robuster Satellit, der auch im Falle eines Testausfalls zuverlässig funktioniert. „Mit OPS-SAT können die verschiedenen ausgewählten Experimente die Kontrolle übernehmen, ohne die Mission zu gefährden“, erklärt Karl Olfe, Doktorand an der Polytechnischen Universität Madrid (UPM), der an der Entwicklung des vom E-USOC vorgeschlagenen Experiments beteiligt war.

Dieses Experiment besteht darin, die Lageregelung des Satelliten durch eine Reihe von Manövern zu übernehmen – also den Satelliten im Orbit auszurichten, seine Ausrichtung zu verändern und sein Verhalten im Orbit mithilfe verschiedener Algorithmen zu vergleichen. „In diesem ersten Experiment vergleichen wir einen auf Fuzzy-Logik basierenden Lageregelungsalgorithmus mit dem klassischen PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler), um die Vorteile des ersteren zu verstehen. Fuzzy-Logik ist ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, das versucht, menschliches Expertenwissen durch die Verwendung sprachlicher (statt numerischer) Variablen und bedingter Strukturen vom Typ ‚Wenn…dann‘ nachzubilden. Wenn wir beispielsweise die Temperatur eines Raumes regeln wollten, würden wir sagen: ‚Wenn es kalt ist, dann schalte die Heizung ein.‘ Dabei wäre ‚kalt‘ die sprachliche Fuzzy-Variable“, erklärt Karl Olfe.

Eine App zur Automatisierung des Prozesses.
Der Doktorand der UPM, der 2019 an einem Workshop im Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt teilnahm, um mehr über das OPS-SAT-Experiment zu erfahren, entwickelte eine mit dem OPS-SAT-Framework kompatible Anwendung, die das gesamte Experiment automatisiert: Sie übernimmt die Lageregelung des Satelliten, wählt den entsprechenden Algorithmus aus, steuert die Manöver usw. Um die App fertigzustellen, musste er auf Satellitendaten zugreifen, die Manöver berechnen, die Aktuatoren ansteuern und alles automatisieren, da der Kontakt zum Satelliten von der einzigen existierenden Bodenstation aus nur sieben Minuten dauert und zwei Überflüge pro Tag stattfinden.
Auch die Vorarbeit des E-USOC-Teams war immens: Es musste die verschiedenen Parameter der Regelalgorithmen berechnen, sowohl des Fuzzy-Logik-basierten Algorithmus als auch der PID-Algorithmen. Diese wurden mithilfe eines eigens dafür entwickelten Optimierungsverfahrens auf Basis genetischer Algorithmen berechnet. „Genetische Algorithmen sind eine Art Metaheuristik, die häufig zur Lösung multikriterieller Optimierungsprobleme eingesetzt wird. Diese Algorithmen simulieren die Entwicklung einer Ausgangspopulation mathematischer ‚Individuen‘, indem sie Evolutionsmechanismen wie genetische Mutation und natürliche Selektion nachahmen. In unserem Fall fungierten die sich entwickelnden ‚Individuen‘ als Regler, und ihre ‚Gene‘ stellten die Parameter jedes Reglers dar“, erklärt der für diese Optimierungen verantwortliche Forscher Álvaro Bello.

Die vollständig entwickelte App wurde mithilfe des ESA-Ingenieurmodells im ESOC erfolgreich am Boden getestet, und die erste Version befindet sich nun an Bord des Satelliten. Kürzlich wurden die ersten Integrationstests mit dem Satelliten im Orbit durchgeführt, und die gewonnenen Daten werden nun analysiert. In Zusammenarbeit mit den ESOC-Forschern wird die App verfeinert und zur finalen Version aktualisiert, die das gesamte Experiment steuern wird.

Eine einzigartige Gelegenheit
: „Die hohen Kosten einer Weltraummission, bei der jede Innovation mit enormen Risiken verbunden ist, bedeuten, dass es keine experimentellen Daten zum Einsatz von Fuzzy-Controllern im Weltraum gibt. Simulationen dieser Regelalgorithmen in verschiedenen Weltraummissionen bestätigen ihre gute Leistungsfähigkeit hinsichtlich Kosten, Agilität, Präzision und Robustheit. Darüber hinaus hat diese Art von Controller in vielen Industriezweigen sehr gute Ergebnisse erzielt. Daher bietet dieses E-USOC-Experiment eine gute Gelegenheit, sie auf einem realen Satelliten zu testen“, so das Fazit der UPM-.