Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2380
Main Title: A Generic Science Operation Planning Concept for Planetary Missions and its Implementation on the First ESA Lunar Mission SMART-1
Translated Title: Ein generisches Konzept für Planung und Betrieb von wissenschaftlichen Operationen planetarer Missionen und dessen Referenzimplementierung für die erste Mondmission der ESA, SMART-1
Author(s): Sarkarati, Mehran
Advisor(s): Brieß, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Raumsonde einer interplanetaren Mission kann in zwei Hauptgruppen von Subsystemen unterteilt werden: den Satellitenbus und die wissenschaftliche Nutzlast. Diese Unterscheidung spiegelt sich gleichermaßen in der Aufteilung der Verantwortlichkeiten im Bodensegment der planetaren Missionen der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA wieder. Als Beispiele für planetare Missionen der ESA können die SMART-1, MarsExpress, VenusExpress, Rosetta und die BepiColombo Missionen genannt werden. Das wissenschaftliche Operationszentrum SOC der jeweiligen Mission hat die Verantwortung für die Planung der Operationen aller wissenschaftlichen Nutzlastinstrumente. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die Abläufe des wissenschaftlichen Planungsprozesses im SOC systematisch analysiert, vorhandene Planungskonzepte verglichen und im Hinblick auf eine wissenschaftsorientierte Planung kritisch überprüft. Die wissenschaftsorientierte Planung ist durch konkrete und anschauliche Einbeziehung wissenschaftlicher Ziele einer Mission in die praktischen Planungs- und Entscheidungsprozesse charakterisiert. In diesem Zusammenhang wurde ein generisches Konzept für wissenschaftliche Operationsplanung ausgearbeitet, welches den Namen „Zentrales Planungskonzept“ trägt. Der Kern dieses Konzepts liegt in der Konfliktvermeidung während des Planungsprozesses statt Konfliktlösung durch spätere Iterationen. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Konzepts ist die Erfassung aller planungsrelevanten Daten in einer zentralen Wissensdatenbank sowie die Ausarbeitung eines hierarchischen Netzwerkes der wissenschaftlichen Missionsziele. Eine umfassende wissenschaftliche Analyse basierend auf einer detaillierten Missionssimulation ermöglicht in diesem Konzept, alle Zeitfenster zu identifizieren, welche eine potenzielle Gelegenheit für das Erreichen einer der Missionsziele darstellen. Durch den direkten Zusammenhang zwischen den angeforderten Operationen respektive den dafür identifizierten Zeitfenstern und den wissenschaftlichen Zielen der Mission kann die wissenschaftliche Auswertung viel anschaulicher in die Planungs- und Entscheidungsprozesse einbezogen werden. Das zentrale Planungskonzept reduziert erheblich den Planungsaufwand durch das Eliminieren von zeitaufwendigen Iterationen und ermöglicht somit eine schnelle Umplanung bei unvorhergesehenen Änderungen. Die praktische Umsetzung des vorgestellten zentralen Planungskonzepts wurde im Rahmen dieser Dissertation in Form einer Operationsplanungssoftware namens SOPS für die erste europäische Mondmission SMART-1 implementiert. Das SMART-1 SOPS ist eine auf Java EE Technologie basierte Server-Client Anwendung. Sie besteht aus zwei Hauptkomponenten: der zentralen Wissensdatenbank mit dazugehörigen web-basierten Clientanwendungen und der wissenschaftlichen Missionsanalyse- und Planungssoftware. Die Grundzüge des zentralen Planungskonzepts wurden durch den Einsatz von SOPS als das primere Planungssystem für die wissenschaftlichen Operationen der SMART-1 Mission im operationellen Betrieb erfolgreich umgesetzt. Die im Rahmen dieser Dissertation eingeführte Implementierung des zentralen Planungskonzeptes, basierend auf der praktischen Erfahrung der SMART-1 Mission, bildet die Grundlage des wissenschaftlichen Planungskonzepts für die Rosetta und BepiColumbo Missionen der ESA.
The subsystems of an interplanetary spacecraft can be broken down in two categories: The satellite platform and the scientific payload instruments. The same breakdown is reflected in the distribution of the tasks and responsibilities in the ground segment of the planetary missions of the European Space Agency. Examples for ESA planetary missions are the SMART-1, MarsExpress, VenusExpress, Rosetta and the BepiColombo missions. The Science Operation Centre, SOC, of a planetary mission is responsible for the planning of the operations of all scientific payload instruments on board the spacecraft. The present dissertation provides a systematic analysis of the science operations planning process in the SOC. It compares existing planning concepts and highlights their advantages and shortcomings with regard to science driven planning. Science driven planning is characterised through concrete and transparent incorporation of the scientific objectives of a mission in the practical science operation planning process. A generic science operation planning concept has been devised in the context of the present dissertation, which is referred to as the central science operation planning concept. The centralised science operations planning concept aims at conflict avoidance as early as possible in the planning process, rather than conflict resolution in later stages. It eliminates the unnecessary iteration cycles and reduces the required planning time and effort. It shifts the planning interfaces between the payload teams and the science operation centre towards more scientific interfaces. The three main elements of the centralised science operation planning concept can be stated to be - Centralised repository for all relevant science planning information; - Centralised science opportunity analysing and identification of all available science opportunity windows during a planning period - Centralised science opportunity selection (planning) based on scientific criteria and trade-off analysis In this concept the establishment of a hierarchical network of scientific objectives of the mission and the provision of the corresponding generic observation requests by the payload teams are essential for the implementation of the central science opportunity analysis and science-driven planning. The SMART-1 science operation planning system, SOPS, has been the first implementation of this generic planning concept for an ESA planetary mission. It has been designed and implemented entirely by the author and has been successfully adopted as the prime science operation planning system for the SMART-1 mission during its extended science phase. The underlying concepts of the SMART-1 science operation planning system have been ultimately validated through the operational usage of the SOPS and the retrieved scientific results from the spacecraft. The successful experience of adopting the centralised science operation planning concept and its reference implementation SOPS in the SMART-1 mission has been acknowledged by the ESA planetary mission independent group (MIG). Its application for the ESA planetary missions Rosetta and BepiColombo is therefore being currently (2009) studied and prototyped.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25515
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2677
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2380
Exam Date: 26-Nov-2009
Issue Date: 22-Feb-2010
Date Available: 22-Feb-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): ESA Missionsplanung
Missionsplanung
SMART-1 Mission
Wissenschaftliche Operationsplanung
Mission Planning
Science Operations Planning
SMART-1
Space Operations
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