AMAT: Der Wegweiser der ESA durchs Sonnensystem
Jede Weltraummission beginnt mit einer Frage: Wie kommen wir dorthin? Bei der ESA unterstützen „Advanced Mission Analysis Tools“ (AMAT) Missionsanalyst*innen bei der Beantwortung dieser Frage und bietet eine moderne, flexible Umgebung für die Planung komplexer Flugbahnen von der Erdumlaufbahn bis in den tiefen Weltraum.
Lange bevor ein Raumfahrzeug startet, planen Fachleute seine Reise. Sie testen und verfeinern Planetenvorbeiflüge und Bahnmanöver bereits Jahre im Voraus. Im Mittelpunkt dieser frühen Planung steht die Missionsanalyse. Bei der ESA prägt nun eine neue Softwaregeneration die Art und Weise, wie diese Arbeit geleistet wird.
Entwickelt am Europäischen Satellitenkontrollzentrum (ESOC) der ESA in Darmstadt, ist AMAT (Advanced Mission Analysis Tools) eine moderne Softwareumgebung, die Missionsanalyst*innen dabei unterstützt, wissenschaftliche Ambitionen in realisierbare Flugbahnen zu übersetzen."
AMAT spielt eine entscheidende Rolle dabei, der ESA mehr Flexibilität und bessere Zusammenarbeit bei der Planung ambitionierter Missionen zu ermöglichen, sei es in Erdnähe, zum Mond oder an jedem anderen Ort im Sonnensystem.
AMAT entstand aus einer Kombination von ESA-interner Expertise und industrieller Unterstützung durch Telespazio und GMV, mit Beiträgen von IMS und Indra Space. Die Software steht im Rahmen des MIDAS-Pakets unter der ESA-Community-Lizenz zur Verfügung, wodurch Universitäten und Industriepartner von dieser Infrastruktur zur Missionsanalyse profitieren können und das gesamte europäische Raumfahrttechnik-Ökosystem gestärkt wird.
Missionsanalyse: Wo Missionen zum Leben erweckt werden
Missionsanalyse ist eine Kernaktivität innerhalb der Abteilung für Flugdynamik der ESA, die sich auf die frühe Missionsplanung konzentriert, oft schon Jahre vor dem Start.
„Die Missionsanalyse ist in der Regel nicht an den operativen Abläufen selbst beteiligt“, erklärt Florian Renk, Leiter der Abteilung für Flugdynamik der ESA. „Sie beginnt lange vor dem Start, wenn Missionen noch bloße Ideen sind, manchmal bei Missionen, die die Studienphase gar nicht überstehen.“
Auch wenn manche Studien in der Frühphase nie in die Tat umgesetzt werden, sind sie unverzichtbar. „Die Wissenschaftsgemeinschaft sagt: Wir müssen diesen Bereich des Himmels beobachten, an diesem Mond vorbeifliegen oder durch diese Ausstoßwolken hindurchfliegen, also findet eine Flugbahn, die dies ermöglicht“, sagt Waldemar Martens, Missionsanalyst am ESOC und AMAT-Projektleiter. „Um effizient eine Flugbahn für das Raumfahrzeug durch das Sonnensystem zu finden, brauchen wir spezielle Software. Deshalb brauchen wir AMAT.“
Doch AMAT geht über interplanetare Missionen hinaus. Martens fügt hinzu: „Wir unterstützen alles, von Konstellationen und Mondflugbahnen bis hin zu Operationen in komplexen Mehrkörperumgebungen wie Librationspunkten.“
Eine moderne Grundlage für die kollaborative Missionsplanung
Jahrelang nutzte die Missionsanalyse ein Flickwerk aus veralteten Tools, die oft auf einzelne Nutzer oder Missionstypen zugeschnitten waren. Diese Tools waren zwar leistungsstark und flexibel, erschwerten jedoch die Zusammenarbeit und waren schwer zu warten.
„Jeder hatte seine eigenen Tools, seine eigenen Dateiformate, seine eigenen Arbeitsabläufe“, erinnert sich Martens. „Es konnte sehr schwierig sein, ein Projekt zu übergeben, wenn eine Person das Unternehmen verließ, da nichts standardisiert war.“
AMAT erleichtert nun durch einheitliche Formate und gemeinsame Schnittstellen den Wissenstransfer zwischen Kolleg*innen und stellt sicher, dass Missionsstudien auch lange nach ihrem Abschluss noch zugänglich bleiben. Code-Duplikate werden minimiert und Konsistenz gewahrt, was für Missionen unerlässlich ist, die sich über Jahrzehnte erstrecken, viele Teams einbeziehen und sich zwischen der frühen Entwurfsphase und dem Start erheblich weiterentwickeln. Nachdem eine Flugbahn entworfen wurde, lässt sich AMAT zudem nahtlos zur Navigationsanalyse nutzen. Zuvor war dafür ein zwischengeschalteter Anpassungsschritt nötig, sodas die Effizienz jetzt spürbar steigt.
AMAT stärkt zudem die Kohärenz zwischen der Missionsanalyse und den übergeordneten Aktivitäten im Bereich Flugdynamik. „AMAT baut auf GODOT auf, einer gemeinsamen Software-Infrastruktur, die die Aktivitäten der Abteilung untermauert“, erklärt der leitende Missionsanalyst Ruaraidh Mackenzie, der mit seinem Team die iterative Entwicklung von GODOT leitete.
Die gemeinsame Infrastruktur für Missionsanalyse und Flugdynamik bringt klare Vorteile: Flugdynamik-Teams können die mit AMAT entwickelten Flugbahnen und Analysen unabhängig reproduzieren und validieren, mit operativen Werkzeugen, die auf derselben Grundlage basieren.
Flugbahnen durch das Sonnensystem planen
AMAT bietet eine einheitliche Umgebung für die Planung und Analyse von Raumfahrzeugflugbahnen über ein breites Spektrum an Missionsarten hinweg. Verschiedene Missionen erfordern verschiedene mathematische Techniken, und AMAT vereint diese in einem einheitlichen Rahmen.
„Bei einer Saturn-Mission fliegt man zum Beispiel nie direkt von der Erde zum Saturn“, erklärt Martens. „Man nutzt mehrere Vorbeiflüge, wie bei Rosetta oder Juice, und die Techniken zur Planung solcher Bahnen sind sehr spezifisch. AMAT setzt diese Algorithmen in moderner Software um, die wir täglich nutzen.“
„Eine der größten Stärken ist die Modularität“, erklärt Missionsanalystin Olga Ramirez Torralba. Sie war von Beginn an als eine der wichtigsten Softwareentwicklerinnen in der Anfangsphase an dem Projekt beteiligt und nutzt es weiterhin täglich als Missionsanalystin. „Anwender*innen können durch die Verkettung verschiedener Phasen oder Segmente durchgängige Missionsszenarien erstellen, und jedes Segment lässt sich je nach Analysebedarf leicht durch einfachere oder komplexere Modelle ersetzen.“
„Dies fördert auch die Wiederverwendbarkeit“, erklärt Ramirez Torralba. „Beispielsweise kann eine für eine interplanetre Mission wie Juice entwickelte Erdfluchtbahn für ähnliche Missionen angepasst werden.“
AMAT liefert in erster Linie numerische Daten und generiert zudem technische Flugbahnkurven und Diagramme, die in Missionsstudien verwendet werden. Die Software unterstützt eine Reihe von Missionsstudien und bestätigten Projekten, darunte Vigil, Argonaut, LISA, Plato, Ariel und die ExoMars-Rover-Mission „Rosalind Franklin“.
Eine zukunftssichere Plattform für die Missionsanalyse
AMAT unterstützt nicht nur kritische Algorithmen, sondern ist auch darauf ausgelegt, sich mit zukünftigen Missionsanforderungen und wechselnden Teams weiterzuentwickeln. „Da kein einzelnes Tool alle individuellen oder Randfall-Designszenarien abdecken kann, war es wichtig, dass Anwender*innen ihre eigenen Modelle und Algorithmen in das AMAT-Framework integrieren können“, sagt Ramirez Torralba. „Flexibilität ist eine zentrale Stärke des Tools.“
„Missionsanalyst*innen werden ermutigt ihre Skripte und Algorithmen in das gemeinsame Repository einzubringen. So entwickelt sich das Tool ständig anhand realer Analyseanforderungen weiter“, fügt Ramirez Torralba hinzu.
Die Software steht für einen Wandel von individuellen, missionsspezifischen Tools hin zu einer gemeinsamen, nachhaltigen Softwareplattform. Durch die Bereitstellung einheitlicher Schnittstellen für verschiedene Missionstypen verbessert AMAT die Effizienz, vereinfacht die Wartung und erleichtert die Einarbeitung neuer Nutzer*innen. Zudem stärkt es die Fähigkeit der ESA, Innovationen voranzutreiben, indem es modernste Fähigkeiten zur Missionsanalyse definiert und entwickelt.
Über die ESA hinaus trägt AMAT dazu bei, die Zusammenarbeit im gesamten europäischen Raumfahrtsektor zu optimieren. Gemeinsame Datenformate und einheitliche Methoden vereinfachen den Informationsaustausch mit Industriepartnern während der Studien- und Projektdefinitionsphasen und unterstützen so eine effizientere Zusammenarbeit bereits in den frühesten Phasen der Missionsentwicklung.
Mackenzie fasst die Bedeutung dieser Kohärenz zusammen: „Wenn alle mit denselben Werkzeugen arbeiten, lassen sich gute Ideen leichter austauschen.“
Werkzeuge wie AMAT sind unverzichtbar, um die Missionen der ESA zu ermöglichen. Jede Mission beginnt als Idee und AMAT hilft dabei, diese Ideen in realisierbare, gemeinsam konzipierte Reisen durch das Sonnensystem zu verwandeln.
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