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