A model-based monitoring system for a space-based astrometry mission


Pavlov, Aleksei


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/1171
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-11715
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2006
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Moerkotte, Guido
Datum der mündl. Prüfung: 15 März 2006
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Praktische Informatik III (Moerkotte)
Fachgebiet: 004 Informatik
Normierte Schlagwörter (SWD): Expertensystem , Datenbanksystem
Freie Schlagwörter (Deutsch): Weltraumastrometrie
Freie Schlagwörter (Englisch): Monitoring system , Expertsystem , Space astrometry
Abstract: Astrometric space missions like Hipparcos, DIVA, Gaia have to simultaneously determine a tremendous number of parameters concerning astrometric and other stellar properties, the satellite's attitude as well as the geometric and photometric calibration of the instrument. To reach the targeted level of precision for these missions many months of observational data have to be incorporated intos a global, coherent and interleaved data reduction. It is inevitable that a daily data reduction process is required in order to judge if the level of precision of the stellar, attitude and instrument parameters achieve its targeted level. This sophisticated data analysis is the in-depth scientific assessment of the quality of all observations within about 24 hours after its reception. It is based on the very complicated procedure "First Look preprocessing" (more known as a Great-Circle reduction from Hipparcos) that provides a one-dimensional, self-consistent and simultaneous solution of the attitude, the instrument calibration and celestial source parameters. For this purpose one needs to process all the 24-hours-data, a task which can be only performed at the Data Center with its computer resources. On the other hand, it is necessary and reasonable to process the observations at the ground Space Operations Center for a quick discovery of delicate changes in the spacecraft performance in the quasi-real time constraints ($15\div 30$~min after data reception). For this latter purpose, the concept of a model-based monitoring system has been developed that comprises activities concerning scientific data health of an astrometrical satellite which can not be guaranteed by only standard procedures applied to typical space missions. This monitoring system, called Science Quick Look (ScQL), performs the preliminary scientific assessment of the instrument and proper astrometric working of the spacecraft at the (coarse) level of precision attainable at this stage. The prototype of this software is designed in the framework of the DIVA project, providing monitoring, diagnostic and visualization tools. It performs the first scientific assessment of the geometric stability of the instrument and proper working of the spacecraft. The process of the monitoring is based on a model of the Galaxy, on the structure and behavior of the components of the spacecraft and its scanning strategy. The system incorporates a simulator of the observations of stars -- a core of our model, that allows to mimic the work of the on-board software and to simulate star transits. The results of an evaluation of our system look very promising, so we plan to pursue further studies in this area. As the DIVA project was stopped, we will adopt our approach to the next space-based astrometry mission, Gaia, which will be launched in 2012. Indeed, many aspects for the rapid assessment of payload and spacecraft health, developed in this work in the framework of DIVA project, are analogous to those in Gaia due to the fact that the basic principle and geometry of the measurements are the same. A successful completion of the ScQL prototype for the DIVA mission provides the basis for our belief that a ScQL monitoring system for the larger project -- Gaia -- is achievable in terms of the developed concept. Building a ScQL monitoring system for Gaia therefore would become a lot easier if the important steps have already been done in the DIVA project. It is evident, however, that this work has to evolve and grow, along with the concept of the Gaia satellite.
Übersetzter Titel: Ein modellbasiertes Ueberwachungssystem fuer einen astrometrischen Satellit (Deutsch)
Übersetzung des Abstracts: In astrometrischen Weltraummissionen wie Hipparcos, DIVA oder Gaia muss eine Vielzahl von Parametern gleichzeitig bestimmt werden, wie astrometrische und andere stellare Eigenschaften, die Lage des Satelliten sowie die geometrische und photometrische Kalibrierung der Instrumente. Um das Praezisionsniveau zu erreichen, das in diesen Missionen angestrebt wird, muessen die ueber Monate gesammelten Daten in eine globale und kohaerente Datenreduktionen eingebunden werden. Der Prozess der taeglichen Datenreduktion ist unbedingt notwendig, um einschaetzen zu koennen, ob der angestrebte Praezisionsgrad der stellaren Parameter, der Lage des Satelliten und der Instrumente erreicht ist. Mit dieser anspruchsvollen Datenanalyse wird die Qualitaet aller Daten innerhalb von 24 Stunden nach deren Empfang mit wissenschaftlichen Methoden gruendlich ueberprueft. Sie basiert auf einer komplizierten Prozedur, First Look Preprocessing genannt. Diese Prozedur liefert eine eindimensionale, selbstkonsistente und simultane Loesung fuer die Parameter der Lage des Satelliten, der Kalibrierung der Instrumente und der kosmischen Objekte. Diese Analyse kann nur im Data Center durchgefuehrt werden, weil hier die entsprechenden Computerressourcen zur Verfuegung stehen. Andererseits ist es notwendig und vernuenftig, die Beobachtungen auf der Erde im Space Operations Center durchzufuehren, weil auf diese Weise minimale Abweichungen in der Performanz des Satelliten in Quasi-Echtzeit (15-30 min. nach Empfang der Daten) rasch entdeckt werden koennen. Zu diesem Zweck wurde das Konzept eines modellbasierten Ueberwachungssystems entwickelt. Es umfasst alle Aspekte der Korrektheit der wissenschaftlichen Daten eines astrometrischen Satelliten, die mit den Standardprozeduren gewoehnlicher Weltraummissionen nicht garantiert werden koennen. Dieses Ueberwachungssystem, Science Quick Look (ScQL) genannt, ueberprueft schon im Voraus, ob das Instrument und der Satellit richtig funktionieren, auf dem Praezisionsniveau, das in diesem Stadium moeglich ist. Der Prototyp dieser Software wurde im Rahmen des DIVA-Projekts entwickelt und bietet Tools fuer Ueberwachung, Diagnose und Visualisierung. Die Software fuehrt eine erste wissenschaftliche Beurteilung der geometrischen Stabilitaet des Instruments und der korrekten Funktion des Satelliten durch. Der Ablauf der Kontrolle basiert auf einem Modell der Galaxie sowie auf der Struktur und dem Verhalten der Komponenten des Satelliten und seiner Strategie. Das System enthaelt einen Simulator fuer die Beobachtungen von Sternen - der Kern unseres Modells, der es ermoeglicht, die Arbeit der Software an Bord zu imitieren und die Sterntranists zu simulieren. Eine Bewertung unseres Systems lieferte viel versprechende Ergebnisse, deshalb planen wir weitere Studien auf diesem Gebiet. Da das DIVA-Projekt abgebrochen wurde, werden wir unseren Ansatz bei der nächsten astrometrischen Weltraummission, Gaia, anzuwenden versuchen, die 2012 starten soll. Viele Schritte zur raschen Ueberpruefung von Belastung und Zustand der Raumsonde, die in dieser Arbeit fuer das DIVA-Projekt entwickelt wurden, entsprechen denen in GAIA, da das Grundprinzip und die Geometrie der Messungen in beiden Projekten gleich sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung eines ScQL-Prototyps fuer DIVA erfolgreich abgeschlossen. Deshalb sind wir der Ueberzeugung, dass es moeglich ist, innerhalb des bestehenden Konzepts ein ScQL-Ueberwachungssystem fuer Gaia zu entwickeln. Es bleibt jedoch anzumerken, dass eine solche Arbeit gemeinsam mit dem Konzept des Gaia-Satelliten wachsen und sich weiter entwickeln muss. (Deutsch)
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Pavlov, Aleksei (2006) A model-based monitoring system for a space-based astrometry mission. [Dissertation]
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