TY - THES A1 - Dombrovski, Veaceslav T1 - Software Framework to Support Operations of Nanosatellite Formations T1 - Software Framework für die Unterstützung des Betriebs von Nanosatelliten-Formationen N2 - Since the first CubeSat launch in 2003, the hardware and software complexity of the nanosatellites was continuosly increasing. To keep up with the continuously increasing mission complexity and to retain the primary advantages of a CubeSat mission, a new approach for the overall space and ground software architecture and protocol configuration is elaborated in this work. The aim of this thesis is to propose a uniform software and protocol architecture as a basis for software development, test, simulation and operation of multiple pico-/nanosatellites based on ultra-low power components. In contrast to single-CubeSat missions, current and upcoming nanosatellite formation missions require faster and more straightforward development, pre-flight testing and calibration procedures as well as simultaneous operation of multiple satellites. A dynamic and decentral Compass mission network was established in multiple active CubeSat missions, consisting of uniformly accessible nodes. Compass middleware was elaborated to unify the communication and functional interfaces between all involved mission-related software and hardware components. All systems can access each other via dynamic routes to perform service-based M2M communication. With the proposed model-based communication approach, all states, abilities and functionalities of a system are accessed in a uniform way. The Tiny scripting language was designed to allow dynamic code execution on ultra-low power components as a basis for constraint-based in-orbit scheduler and experiment execution. The implemented Compass Operations front-end enables far-reaching monitoring and control capabilities of all ground and space systems. Its integrated constraint-based operations task scheduler allows the recording of complex satellite operations, which are conducted automatically during the overpasses. The outcome of this thesis became an enabling technology for UWE-3, UWE-4 and NetSat CubeSat missions. N2 - Seit dem Launch des ersten CubeSats im Jahr 2003, hat die Komplexität der Nanosatelliten stetig zugenommen. Um mit den wachsenden Anforderungen Schritt zu halten und gleichzeitig nicht auf die Hauptvorteile einer CubeSat Mission zu verzichten, wird eine einheitliche Protokoll- und Softwarearchitektur für den gesamten Weltraum- und Bodensegment vorgeschlagen. Diese Arbeit schlägt eine einheitliche Software- und Protokoll-Architektur vor als Basis für Softwareentwicklung, Tests und Betrieb von mehreren Pico-/Nanosatelliten. Im Gegensatz zu Missionen mit nur einem CubeSat, erfordern künftige Nanosatelliten-Formationen eine schnellere und einfachere Entwicklung, Vorflug-Tests, Kalibrierungsvorgänge sowie die Möglichkeit mehrere Satelliten gleichzeitig zu betreiben. Ein dynamisches und dezentrales Compass Missionsnetzwerk wurde in mehreren CubeSat-Missionen realisiert, bestehend aus einheitlich zugänglichen Knoten. Die Compass-Middleware wurde entwickelt, um sowohl die Kommunikation als auch funktionale Schnittstellen zwischen allen beteiligten Software und Hardware Systemen in einer Mission zu vereinheitlichen: Rechner des Bedienpersonals, Bodenstationen, Mission-Server, Testeinrichtungen, Simulationen und Subsysteme aller Satelliten. Mit dem Ansatz der modellbasierten Kommunikation wird auf alle Zustände und Funktionen eines Systems einheitlich zugegriffen. Die entwickelte Tiny Skriptsprache ermöglicht die Ausführung von dynamischem Code auf energiesparenden Systemen, um so in-orbit Scheduler zu realisieren. Das Compass Operations Front-End bietet zahlreiche grafische Komponenten, mit denen alle Weltraum- und Bodensegment-Systeme einheitlich überwacht, kontrolliert und bedient werden. Der integrierte Betrieb-Scheduler ermöglicht die Aufzeichnung von komplexen Satellitenbetrieb-Aufgaben, die beim Überflug automatisch ausgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden zur Enabling-Technologie für UWE-3, UWE-4 und NetSat Missionen. T3 - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 23 KW - Kleinsatellit KW - Softwaresystem KW - Kommunikationsprotokoll KW - Betriebssystem KW - Compiler KW - Satellite formation KW - Distributed computing KW - Compass framework KW - Model based mission realization KW - Model based communication Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-249314 SN - 978-3-945459-38-6 ER - TY - THES A1 - Mühlberger, Clemens T1 - Design of a Self-Organizing MAC Protocol for Dynamic Multi-Hop Topologies T1 - Entwicklung eines selbst-organisierenden MAC Protokolls für dynamische Mulit-Hop Topologien N2 - Biologically inspired self-organization methods can help to manage the access control to the shared communication medium of Wireless Sensor Networks. One lightweight approach is the primitive of desynchronization, which relies on the periodic transmission of short control messages – similar to the periodical pulses of oscillators. This primitive of desynchronization has already been successfully implemented as MAC protocol for single-hop topologies. Moreover, there are also some concepts of such a protocol formulti-hop topologies available. However, the existing implementations may handle just a certain class of multi-hop topologies or are not robust against topology dynamics. In addition to the sophisticated access control of the sensor nodes of a Wireless Sensor Network in arbitrary multi-hop topologies, the communication protocol has to be lightweight, applicable, and scalable. These characteristics are of particular interest for distributed and randomly deployed networks (e.g., by dropping nodes off an airplane). In this work we present the development of a self-organizing MAC protocol for dynamic multi-hop topologies. This implies the evaluation of related work, the conception of our new communication protocol based on the primitive of desynchronization as well as its implementation for sensor nodes. As a matter of course, we also analyze our realization with regard to our specific requirements. This analysis is based on several (simulative as well as real-world) scenarios. Since we are mainly interested in the convergence behavior of our protocol, we do not focus on the "classical" network issues, like routing behavior or data rate, within this work. Nevertheless, for this purpose we make use of several real-world testbeds, but also of our self-developed simulation framework. According to the results of our evaluation phase, our self-organizing MAC protocol for WSNs, which is based on the primitive of desynchronization, meets all our demands. In fact, our communication protocol operates in arbitrary multi-hop topologies and copes well with topology dynamics. In this regard, our protocol is the first and only MAC protocol to the best of our knowledge. Moreover, due to its periodic transmission scheme, it may be an appropriate starting base for additional network services, like time synchronization or routing. N2 - Biologisch inspirierte, selbst-organisierende Methoden können dabei helfen, die Zugriffskontrolle drahtloser Sensornetze auf das gemeinsame Kommunikationsmedium zu regeln. Ein leichtgewichtiger Ansatz ist das Primitiv der Desynchronisation, das auf einer periodischen Übertragung kurzer Kontrollnachrichten beruht – ähnlich den periodischen Impulsen eines Oszillators. Dieses Primitiv der Desynchronisation wurde bereits erfolgreich als MAC Protokoll für Single-Hop Topologien implementiert. Außerdem existieren auch einige Multi-Hop Konzepte dieser Protokolle. Allerdings können die verfügbaren Implementierungen nur eine bestimmte Klasse von Multi-Hop Topologien bedienen oder sie sind nicht robust genug gegenüber Veränderungen der Netzwerktopologie. Zusätzlich zu dieser ausgeklügelten Zugriffskontrolle der Sensorknoten eines drahtlosen Sensornetzes in beliebigen Multi-Hop Topologien muss das Kommunikationsprotokoll leichtgewichtig, effizient anwendbar und skalierbar sein. Diese Eigenschaften sind insbesondere für verteilte und zufällig (z.B. durch den Abwurf von Sensorknoten aus einem Flugzeug) aufgebaute Netzwerke von Interesse. In dieser Arbeit präsentieren wir die Entwicklung eines selbst-organisierenden MAC Protokolls für dynamische Multi-Hop Topologien. Dies beinhaltet die Auswertung damit verbundener Arbeiten, der Konzeption unseres neuen, auf dem Primitiv der Desynchronisation basierenden Kommunikationsprotokolls sowie dessen Umsetzung für Sensorknoten. Selbstverständlich untersuchen wir unsere Realisierung hinsichtlich unserer spezifischen Anforderungen. Diese Analyse basiert auf verschiedenen (simulativen, wie auch aus echter Hardware bestehenden) Szenarien. Da wir vornehmlich am Konvergenzverhalten unseres Protokolls interessiert sind, legen wir unser Augenmerk in dieser Arbeit nicht auf die „klassischen“ Netzwerkthemen, wie Routing-Verhalten oder Datenrate. Nichtsdestotrotz nutzen wir hierfür verschiedene realitätsnahe Testumgebungen, aber auch unsere selbstentwickelte Simulationsumgebung. Gemäß den Ergebnissen unserer Evaluationsphase erfüllt unser auf dem Primitiv der Desynchronisation basierendes, selbst-organisierendes MAC Protokoll für drahtlose Sensornetze all unsere Anforderungen. Tatsächlich funktioniert unser Kommunikationsprotokoll in beliebigen Multi-Hop Topologien und kann zudem gut mit Veränderungen der Topologie umgehen. In dieser Hinsicht ist – nach unserem besten Wissen – unser Protokoll das erste und einzige MAC Protokoll. Außerdem bietet sich unser Kommunikationsprotokoll aufgrund seines periodischen Übertragungsschemas als geeigneter Ausgangspunkt für weitere Netzwerkdienste, wie Zeitsynchronisation oder Routing, an. KW - Desynchronization KW - Desynchronisation KW - Multi-Hop Topology KW - Multi-Hop Topologie KW - MAC Protocol KW - Drahtloses Sensornetz KW - Internet der Dinge KW - Kommunikationsprotokoll KW - Netzwerktopologie KW - Selbstorganisation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158788 ER -