Airbus Defence and Space

INVERITAS: Robotik für die Raumfahrt-Zukunft

Robotische Raumfahrttechnologien gegen Weltraumschrott

Know-how in der Weltraumrobotik ist eine Kernkompetenz der Zukunft. Das Beispiel INVERITAS zeigt, wie Airbus Defence and Space dieses Thema in einem Forschungsverbund voran treibt.

INVERITAS (innovative technologies for relative navigation and capture) ist ein Verbundprojekt zwischen Airbus Defence and Space in Bremen, Jena-Optronik und dem Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (RIC DFKI Bremen). Der Verbund hat sich vorgenommen, den Prototypen eines vielfältig einsetzbaren Rendezvous- und Capture- Systems zu entwickeln und die zugehörigen Kerntechnologien bis zum Technology Readiness-Level 4 (TRL 4) - das heißt bis zur Demonstration am Boden - voranzutreiben.

Ein Modell eines taumelnden Satelliten im INVERITAS Systemdemonstrator.

Ein Modell eines taumelnden Satelliten im INVERITAS Systemdemonstrator.

In dem Projekt geht es um die Entwicklung von Technologien, mit denen so genannte Servicing - Roboter gebaut werden können. Solche Raumfahrzeuge sind in der Lage, ausgediente Satelliten oder größere Trümmer einzufangen. Einmal eingefangen, könnten sie repariert oder kontrolliert zum Wiedereintritt gebracht werden.  Airbus Defence and Space investiert eigene Forschungsmittel, um sein Technologie-Know-how in diesem Sektor aufzubauen. Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt das Vorhaben mit 50 Prozent.

„Die Menschheit hat in den vergangenen Jahrzehnten sehr viel in den Weltraum hochgebracht“, sagt Airbus Defence and Space - Projektleiter Dr. Bernd Mädiger. Mittlerweile habe sich dort gefährlich viel Weltraumschrott angesammelt. „Wenn nun eine weitere Kollision passiert steigt die Zahl der Trümmer sehr stark an. Damit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die nächsten Satelliten getroffen werden (Kessler-Effekt).“

Ab einer bestimmten Trümmerdichte wird es immer risikoreicher, einen betroffenen Orbit zu nutzen. Einige Orbits sind diesem bedrohlichen Zustand schon ziemlich nahe. Wirksame Gegenstrategien sind also gefragt. „Man kann das Risiko der Trümmerbildung reduzieren, indem die großen Objekte herausgeholt werden, diejenigen, die die wesentlichen Trümmer - erzeugenden Objekte sind“, sagt Bernd Mädiger. Fünf bis zehn Objekte seien das jährlich, und zwar die größeren zwischen 200 bis 800 Kilogramm.

Bewährte Technologie als Basis

Die Entwicklung robotischer Raumfahrttechnologien erfordert ingenieurwissenschaftliche Spitzenleistungen in einem multidisziplinären Umfeld von Künstlicher Intelligenz, Autonomen Systemen, Virtueller Realität, Miniaturisierung, Werkstofftechnik, Mechatronik bis hin zu Informations- und Kommunikationstechnik. Für Vieles, was hierfür benötigt wird, bilden beispielsweise die Technologien für den Raumtransporter ATV bereits wichtige Ausgangspunkte. Das ATV vollzieht ein Rendezvous und ein Docking mit einem kooperativen Ziel, nämlich der Raumstation ISS. Der nächste logische Schritt, sagt Bernd Mädiger, ist, dass man auf Basis dieser  Erfahrungen das Andocken an unkooperativen Ziele weiterentwickelt.

Kooperative Ziele melden sich, sie haben eine Lageregelung und Marker, in der Regel kann man eine Funkverbindung zu ihnen aufnehmen. Unkooperative Objekte - wie ein ausgefallener Satellit - sind jedoch passive Geräte. Sie sind nicht dafür vorgesehen, dass man sie findet. Sie weisen keine Marker auf, und in der Regel taumeln sie in irgendeiner Form, meist sind sie nicht lagestabilisiert.

Dr Bernd Mädiger, INVERITAS Projektleiter für das Airbus Defence and Space Robotiklabor in Bremen.

Dr Bernd Mädiger, INVERITAS Projektleiter für das Airbus Defence and Space Robotiklabor in Bremen.

Bernd Mädiger: "Wir kennen sie aber trotzdem, wir haben ein Modellwissen über sie, allerdings können wir solchen Zielen keine Kommandos schicken. Zwar kennen wir in der Regel ihre Flugbahnen, nicht jedoch ihr Taumelverhalten. Das müssen wir während der Mission analysieren."

Technologisches Neuland


Die Technologiekomponenten, die Airbus Defence and Space im Rahmen von INVERITAS beisteuert, stellen erhebliche Herausforderungen an die beteiligten Entwickler und Techniker. Anspruchsvoll ist etwa die multimodale Senderdatenverarbeitung (multimodal sensor data processing), bei der es darum geht, komplexe Daten diverser Sensorsysteme auszulesen, aufzuarbeiten und zu kombinieren, d.h. miteinander in funktionale Beziehungen zu setzen. Dazu zählen auch 3D-Bilddaten. „Es gibt keinen Sensor, mit dem man alle anfallenden Aufgaben wie das Auffinden eines Satelliten und eine anschließende Annäherung allein lösen könnte“, erläutert Bernd Mädiger. Es werden also mehrere Kamerasysteme benötigt, dazu ein LIDAR (Laserscanner), der bei INVERITAS von der Jena-Optronik beigesteuert wird, und eventuell ein Radar.

Wenn die Daten aus der Sensorik bereitstehen, müssen die GNC-Systeme (guidance, navigation, control) aktiv werden. Es gilt, Flugbahnen auszurechnen, etwa zur Annäherung an einen Satelliten, und sobald der Service-Roboter (Servicer) nahe daran ist, muss der Abstand geregelt werden. Bernd Mädiger: „Wir haben ein Ziel, das ja taumelt, das heißt, es verändert ständig seine Lage, und trotzdem müssen wir einen sehr geringen Abstand erreichen, circa anderthalb bis zwei Meter, allerdings, ohne eine Kollision zu riskieren.“

Ebenfalls Bestandteil der INVERITAS-Arbeiten ist das Camera- and LIDAR-based Hazard Detection and Avoidance for Lunar Landing. Es geht dabei um Bildverarbeitungsverfahren, die künftig auch für Landungen auf dem Mond einsetzbar sein sollen. Bernd Mädiger: „In der letzten Phase, wenn wir in Zukunft vollautomatisch auf dem Mond landen wollen  - das ist sozusagen ein Nebeneffekt dieses Projekts - möchten wir mit dem Lander nicht zufällig einen Stein treffen. Wir wenden hier dieselben Algorithmen zur Strukturerkennung an, um zu detektieren, wo Hindernisse sind, um dann Ausweichbewegungen zu machen.“

Die unterschiedlichen Systeme eines Service-Roboters müssen miteinander kommunizieren können, um definierte Aufgaben ausführen zu können. Bildverarbeitung, GNC, ein Roboterarm für das Greifen von Objekten, die eigentliche Satellitenplattform – jedes dieser Subsysteme stellt für sich genommen bereits eine intelligente Einheit dar. Jetzt muss ein Konzept entstehen, das die Subsysteme „miteinander verheiratet“ und das die Koordination erzeugt.

Die Versuchsanlage mit dem INVERITAS Systemdemonstrator beim Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen.

Die Versuchsanlage mit dem INVERITAS Systemdemonstrator beim Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen.

Praktische Erprobung

Inzwischen hat das DFKI als Projektpartner in Bremen eine 15 mal 20 Meter große Halle bereitgestellt, in der zwei Roboter installiert sind. Einer von ihnen ist ein kleinerer Industrieroboter, der 60 Kilogramm tragen kann, er lässt in der Versuchsanordnung das Target taumeln. Daneben gibt es ein großes Seilzugsystem, an dem die Servicereinheit, der angetriebene Satellit, befestigt ist. Seitwärts finden sich diverse Beleuchtungseinrichtungen. Mit dieser Vorrichtung kann der gesamte Rendezvous-Prozess dargestellt werden.

Wie schwierig ist das Projekt INVERITAS? „Ich denke, wir bewegen uns da wirklich an der Grenze des gegenwärtig Machbaren. Besonders betrifft das die Sensordatenverarbeitung, die extrem schwierig ist wegen der Beleuchtungsbedingungen“, sagt Bernd Mädiger. „Wir haben im All die harten Schlagschatten: Wo Schatten ist, ist es total dunkel, wo die Sonne scheint, ist es extrem hell. Es gibt kaum Übergänge. Wenn wir Konturen oder einzelne Teile erkennen wollen, ist das sehr anspruchsvoll für die Bildverarbeitung der Kameradaten. Eine weitere Herausforderung besteht darin, im Orbit genügend leistungsfähige Rechenkapazität vorzuhalten für die Verarbeitung der Bilddaten.“

Alle Reviews konnten bisher ohne Probleme absolviert werden. Derzeit laufen in der Simulationshalle beim DFKI die Sensor- und Algorithmen-Tests. INVERITAS liegt voll im Plan, Anfang des kommenden Jahres endet dieses Projekt. Welches sind die nächsten Schritte? „Es wird weitere Research-and Technology-Projekte geben, die darauf aufbauen. Sie werden sich mit kommerziellen Strategien für die Entfernung von Weltraumschrott beschäftigen.“

 

"Gefördert von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50RA0908".

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