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
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Forschungszentrum
Raumfahrtagentur
Projektträger
Luftfahrt Raumfahrt Energie Verkehr
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Globale Herausforderungen• Mobilität• Kommunikation• Energie• Klimawandel• Ressourcenverknappung• Demografische Entwicklung• Konflikte• Gesundheit• ....
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Weltjugendtag 2005
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NASA
1972
Gravitations-anomalie
Pioneer 10
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Kompositbild des Bullet ClustersRot: Verteilung gewöhnlicher MaterieBlau: Verteilung dunkler Materie. wikipedia
Dunkle Materie
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physik.uni-tuebingen
Dunkle Energie
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Wasser
Erde Luft
…Neugier des Menschen!
Feuer
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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
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LUFTFAHRT
Bearbeitung des Gesamtsystems Lufttransport
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• Sicherheit
• Umwelt / Klima
• Verbrauch
LUFTFAHRT
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Raumfahrt:Bearbeitung des Gesamtsystems Raumfahrt(robotisch/astronautisch)
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Erdbeobachtung Exploration,Wissenschaft
Technologie,Kommunikation, Navigation,μg-Forschung,internationale Kooperation…
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Radarsatellit TerraSAR Xppp-ProjektStart 15.6.2007Erste Bilder 19.6.2007Operationeller Betrieb 7.1.2008
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Walldorfer Kreuz
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Laser Communication Terminal – LCT (Tesat)
© TESAT
© TESAT
NFIRETerraSAR-X
5.5 Gbps über 5000 km!
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STS 126 Endeavour 15.11. 1.55 MEZ
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Internationale Raumstation
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Computer…
Krankenhausrechner1959 (IBM)
C²A²S²E (Center für Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)
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C²A²S²E (Center for Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)
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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
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1960 2015
Mercury Gemini Apollo Shuttle Orion
X 38 CRV
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Mercury 7 Mercury 13
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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
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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
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Neuentwicklung: 1961 bis 1966Weiterentwicklung: 1966 bis ca. 1972
Die Rechnerentwicklung im Bild
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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
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Apollo Guidance Computers (AGC)
Apollo 11 Landemodul 1969
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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
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Referenz:
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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
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SPACELAB Missionen
Ulf Merbold 28.11.1983
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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
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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
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Heutige und zukünftige Missionen
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Informationen
Steuern
Autonomie
Kommandierung
Housekeeping & Telemetrie
Navigation
Lageregelung
thermale & Energiekontrolle
Überwachung
Nutzlastaufgaben
Bildbearbeitung
Klassifizierung
Mustererkennung
….
Rechneraufgaben im Weltraum: Heute
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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
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Rosetta Tschurjumow-Gerasimenko
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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)
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ATV Jules Verne Start 9. März 2008Automated Transfer Vehicle
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ATV
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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.
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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
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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
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Nächste Ziele?
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„Werft“
< 1 Woche
> 2 Jahre
Mars: • Antrieb• Sicherheit• Gesundheit• Psychologie• Strahlung• Kommunikation• …
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Der Mondwird in den nächsten Jahren ein zentrales
Explorationsziel sein !
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20. Juli 1969
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© ESA
• Aufnahme der Topographie, Gravitation und spektralerCharakteristik der Mondoberfläche
• Untersuchung der inneren Struktur, Geologie…
• Vorbereitung von (astronautischen) Landemissionen
• “Kompetenznachweis”• Wissenschaft, Technik,
Missionsmanagement• Public Outreach
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© EADS Astrium
Lunar Exploration Orbiter (LEO)
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Mondstation
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Der erste Deutsche auf dem Mond wird…
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Der erste Deutsche auf dem Mond wird…
… ein DLR-Robonaut sein!
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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?
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Wetterbeobachtung aus dem geostationären Orbit
2008: METEOSAT-8© EUMETSAT
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Navigation
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Katastrophenmanagement
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Januar 10, 2003December 29, 2004
KatastrophenmanagementTsunami 2004 – Lho’Nga, Indonesia
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Biowissenschaften: vom Gen zum MenschenForschung unter Weltraumbedingungen
Strahlung Kreislauf, Blut, Salzhaushalt
Immunsystem
Matroshka
Bewegungs-koordination
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Aus dem Weltraum in das HausÖlbrenner mit Raketentechnolgie
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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
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Aus dem Weltraum ins AutoThermoelektrische Generatoren
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(source: EADS)
(source: scifiartposters)
Tourismus?
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≈100 km
Tourismus
V > 28000 km/h
> 300 km
Raumfahrt
V ≈ 0 km/h
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WELTRAUM + RAUMFAHRT:
• Beobachtungsplattform
• Experimentierlabor
• Innovationstreiber
• Infrastruktur
• Internationales Forum
Raumfahrt nötig und sinnvoll!
Grundlagenforschung
Angewandte Forschung
Entwicklung
Arbeitsplätze
Jeder Tag ist ein All-Tag!
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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