Computer in der Raumfahrt - Lehrstuhl für Informatik VII ... · J.-D. Wörner Deutsches Zentrum...

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J.-D. Wörner

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Computer in der Raumfahrt

Forschungszentrum

Raumfahrtagentur

Projektträger

Luftfahrt Raumfahrt Energie Verkehr

Globale Herausforderungen• Mobilität• Kommunikation• Energie• Klimawandel• Ressourcenverknappung• Demografische Entwicklung• Konflikte• Gesundheit• ....

Weltjugendtag 2005

NASA

1972

Gravitations-anomalie

Pioneer 10

Kompositbild des Bullet ClustersRot: Verteilung gewöhnlicher MaterieBlau: Verteilung dunkler Materie. wikipedia

Dunkle Materie

physik.uni-tuebingen

Dunkle Energie

Wasser

Erde Luft

…Neugier des Menschen!

Feuer

Köln

Lampoldshausen

Stuttgart

Oberpfaffenhofen

Braunschweig

Göttingen

Berlin-

Bonn

Trauen

HamburgNeustrelitz

Weilheim

Standorte und Mitarbeiter

5.700 Mitarbeiter 27 Forschungsinstitute1,3 Milliarden €

13 Standorte

Büros in Berlin, Brüssel, Paris und Washington D.C.

Bremen

LUFTFAHRT

Bearbeitung des Gesamtsystems Lufttransport

• Sicherheit

• Umwelt / Klima

• Verbrauch

LUFTFAHRT

Raumfahrt:Bearbeitung des Gesamtsystems Raumfahrt(robotisch/astronautisch)

Erdbeobachtung Exploration,Wissenschaft

Technologie,Kommunikation, Navigation,μg-Forschung,internationale Kooperation…

Radarsatellit TerraSAR Xppp-ProjektStart 15.6.2007Erste Bilder 19.6.2007Operationeller Betrieb 7.1.2008

Walldorfer Kreuz

Laser Communication Terminal – LCT (Tesat)

© TESAT

© TESAT

NFIRETerraSAR-X

5.5 Gbps über 5000 km!

STS 126 Endeavour 15.11. 1.55 MEZ

Internationale Raumstation

Computer…

Krankenhausrechner1959 (IBM)

C²A²S²E (Center für Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)

C²A²S²E (Center for Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)

VerlässlichkeitSelf-HealingFehlertoleranzSehr begrenzte Raum-, Energie- und Masse-RessourcenKälte/Hitze: Raumfahrzeug -170° bis +120° , Rechner i.d.R. +10° und +50°

Vakuum: Wärmeabfuhr im Vakuum ein Problem

Keine Gravitation: i.d.R. kein Problem für Hard- und Software (aber lose Teile!)

Rechner im Weltraum – was ist anders als auf der Erde ?

Referenz: S. Montenegro, DLR

1960 2015

Mercury Gemini Apollo Shuttle Orion

X 38 CRV

Mercury 7 Mercury 13

Projekt Mercury: Erstes Computer-Betriebssystem (Rechner am Boden, Mercury-Kapsel ohne Computer). Motivation: bis dato Programme (z.B. über Lochstreifen)

seriell in den Computer eingelesen, ausgeführt und beendet. In der hektischen Startphase der Mercury-Missionen wollte man aber mehrere Programme lauffähig haben, und kurzfristig zwischen ihnen hin- und herschalten

Geburtsstunde der Betriebssysteme.

Betriebssystem kommt aus Raumfahrt

Apollo-Projekt Mitte 50er ohne Rechner unmöglich, z.B. Navigationsaufgaben in Mondnähe

Onboard-Computer im Apollo-CM und LEM nicht autonom "Supercomputer" auf der Erde

„schlappe“ Computer - aber tolle Leistungen!z.B. Design des Space-Shuttles in den 70er:

hochgenaue CFD-Rechnungen (Navier-Stokes) für komplexe Geometrien nicht einmal in 2D, geschweige denn in 3D möglich!

Historie und Bedeutung

Neuentwicklung: 1961 bis 1966Weiterentwicklung: 1966 bis ca. 1972

Die Rechnerentwicklung im Bild

Navigation (Guidance Computer: AGC):1. Informationen bereitstellen2. Steuern mit menschlicher Hilfegleiche Rechner und selbe Bauart unterschiedliche Software für verschiedene Aufgaben wie Orbiter, Lander

Rechneraufgaben im Weltraum: Gestern

Apollo Guidance Computers (AGC)

Apollo 11 Landemodul 1969

Kernspeicher: Jeder Ring ein Bit

Technologie: etwa 4100 ICs (Chips)CPU: << 0,5 MIPSSpeicher: 24K BytesSprache: Assembler

Strahlung:• Geringe Vorkehrungen gegen

Strahlung, nur Gehäuseabschirmung• Technologie kaum empfindlich für Bit-

Umkehrungen

Rechnertechnologie

Referenz:

Referenz: IBM

Rechengeschwindigkeit und Speicher

Jahr Computer kops Speicher (words)

1960 Saturn I 3,0 3644 (27-bit)

1963 Gemini 7,0 4096 (39-bit)

1964 Saturn IB,V 11,3 16384 (26-bit)

1971 Skylab 60 16384 (16-bit)

1974 Space Shuttle 3251) 40960 (32-bit)4802)

1)Fixed Point, 2)Floating Point

2008 BMW 750i 24000000 1 GB

SPACELAB Missionen

Ulf Merbold 28.11.1983

IBM Advanced System/4 Pi Model AP-101 = 80386 früher MATRA/MITRA

SPACELAB CDMS (Command and Datamanagement System): Mass MemoryUnit (Bandlaufwerk): bis zu 34 MBit + Display Skeleton-Software – basierend auf einer Telemetrie-Datenbank, kompatibel mit der Datenbank des Kontrollzentrums im DLR Oberpfaffenhofen

Housekeeping Informationen zu den SPACELAB Experimenten in gleicher Weise an Bord wie am Boden mit „Windows“Technik keyboardgesteuert (ohne Maustechnik)

Zentralrechnersystem SPACELAB

D-2 Pilot Tom Hendricks – InflightMaintenance

(IFM) am Bordcomputer

IBM AP101 General Purpose Computer

Rechner für den Astronauten: GRID Laptop (Commercial off the Shelf - COTS) - Schnittstelle zum SPACELAB Zentralrechner - qualifiziert für RF, z.B. Rechnerinnenleben „gecoatet“ + raumfahrttaugliche Akkus

Apple Macintosh Laptop (MC68000 Prozessor) als Crew Telesupport Experiment (CTE)- parallel mit der Bodenkontrolle Bildbearbeitung- Unterstützung bei Astronautenarbeiten mit Experimenten über ein Modemlink zum Boden (Distributed Workplace)

- erster CD-Schreiber im Weltraum!

Rechner für Astronauten im SPACELAB – der Vorbote für die ISS

D-2 Pilot Tom Hendricks am CTE

Heutige und zukünftige Missionen

Informationen

Steuern

Autonomie

Kommandierung

Housekeeping & Telemetrie

Navigation

Lageregelung

thermale & Energiekontrolle

Überwachung

Nutzlastaufgaben

Bildbearbeitung

Klassifizierung

Mustererkennung

….

Rechneraufgaben im Weltraum: Heute

Trend: System on Chip:

< 20 Chips pro Rechner

CPU: 100 ... 800 MIPS

Speicher: 8 MBytes ….512 MBytes

Sprache: C, C++, ADA,

Rechnertechnologie im Weltraum: Heute

Rosetta Tschurjumow-Gerasimenko

Rosetta Tschurjumow-Gerasimenko

Start: 2. März 2004 Erster ErdvorbeiflugMarsvorbeiflug (25. Februar 2007 in 250 km Entfernung) Zweiter Erdvorbeiflug (November 2007) Vorbeiflug am Asteroiden Šteins (September 2008) Dritter Erdvorbeiflug (November 2009) Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia (Juli 2010) Landung auf dem Kometen (November 2014)

ATV Jules Verne Start 9. März 2008Automated Transfer Vehicle

ATV

Rechnersysteme für den Weltraum brauchen Zeit …Neuentwicklung: ca. 3 Jahre und Weiterentwicklung: ca. 10 Jahre!

Aktuell - SS Computer (Columbus)Leistung: 40 MIPSGröße: 40x40x20 cm (Europa)

Zukunft: Entwicklungskonzept für Raumfahrteinsatz (DLR-RY) Leistung: 1x1200 MIPSGröße: 20x10x40 cm.

große und teure elektronische Vorkehrungen

Chiptechnologie

Interne Redundanz & Schutz der Mechanismen

Trends

COTS Elemente (nicht strahlungsimmun)

externe Redundanz

moderne Chiptechnologie:

kleine Strukturen (< 0,13 Mikrometer Strukturen)

niedrige Spannung (1,5 oder 1,3 Volt)

kaum empfindlich gegen Vernichtung durch Strahlung, aber sehr empfindlich für Bit-Umkehrungen.

Rechnerschutz gegen Strahlung im Weltraum - Heute

SOC (System On Chip) Technology

Leistung: > 4x 1200 MIPS

Speicher: 4x 16 GBytes

COTS (Commercial off the Shelf) Technology + intelligentes Redundanzmanagement

Strahlungresistente Technologie, „per Design“

Netzwerkstruktur:

autonome Diagnose

Selfhealing

selbst rekonfigurierend

höchste Autonomie (in Software)

Entwicklung im DLR + Partnern

Nächste Ziele?

„Werft“

< 1 Woche

> 2 Jahre

Mars: • Antrieb• Sicherheit• Gesundheit• Psychologie• Strahlung• Kommunikation• …

Der Mondwird in den nächsten Jahren ein zentrales

Explorationsziel sein !

20. Juli 1969

© ESA

• Aufnahme der Topographie, Gravitation und spektralerCharakteristik der Mondoberfläche

• Untersuchung der inneren Struktur, Geologie…

• Vorbereitung von (astronautischen) Landemissionen

• “Kompetenznachweis”• Wissenschaft, Technik,

Missionsmanagement• Public Outreach

© EADS Astrium

Lunar Exploration Orbiter (LEO)

Mondstation

Der erste Deutsche auf dem Mond wird…

Der erste Deutsche auf dem Mond wird…

… ein DLR-Robonaut sein!

Teurer Luxus, bringt nichts!

Wir haben doch genug Probleme auf der Erde!

Noch nicht einmal die Teflon-Pfanne kommt aus dem All!

Verständlich im Kalten Krieg, nutzlos/gefährlich im Frieden!

Nutzen der Raumfahrt?

Wetterbeobachtung aus dem geostationären Orbit

2008: METEOSAT-8© EUMETSAT

Navigation

Katastrophenmanagement

Januar 10, 2003December 29, 2004

KatastrophenmanagementTsunami 2004 – Lho’Nga, Indonesia

Biowissenschaften: vom Gen zum MenschenForschung unter Weltraumbedingungen

Strahlung Kreislauf, Blut, Salzhaushalt

Immunsystem

Matroshka

Bewegungs-koordination

Aus dem Weltraum in das HausÖlbrenner mit Raketentechnolgie

Aus dem Weltraum ins Auto

DLR Know How(z. B. Faserkeramik)

Aufbereitungs-projekt

Transfermuster(Keramik-Bremsscheibe)

Produktent-wicklung mit Industrie-partner

Produkt im Markt

Scheibenbremsen aus Keramikverbundmaterial

Aus dem Weltraum ins AutoThermoelektrische Generatoren

(source: EADS)

(source: scifiartposters)

Tourismus?

≈100 km

Tourismus

V > 28000 km/h

> 300 km

Raumfahrt

V ≈ 0 km/h

WELTRAUM + RAUMFAHRT:

• Beobachtungsplattform

• Experimentierlabor

• Innovationstreiber

• Infrastruktur

• Internationales Forum

Raumfahrt nötig und sinnvoll!

Grundlagenforschung

Angewandte Forschung

Entwicklung

Arbeitsplätze

Jeder Tag ist ein All-Tag!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

www.dlr.de

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