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23.10.1981 - 

Computer geleiten die "Columbia" sicher um die Welt (III)

Doppelrechner-Bodenstation übewachte Shuttle-Flug

Waren Bordrechner-Hard- und -Software die Themen der ersten beiden Folgen dieser Serie über die Space-Shuttle-Computerkonfiguration, 80 ist in diesem Beitrag vor allem von drei IBM 370/108-Rechnern die Rede, die den Flug der Columbia im Johnson Space Center in Houston überwachten aber auch zur Programmentwicklung sowie dem Training der Flugüberwachungsmannschaft dienen, nutzlastbezogene Daten verarbeiten und für Tests herhalten.

In normalen Flugphasen überwacht nur einer der 168er-Rechner im Realtime-Modus den Weg Orbiters, in kritischen Phasen werden indes zwei identische Modelle parallel gefahren und verarbeiten gleichzeitig identische Daten, während der dritte Computer in Reserve bleibt oder sich um die Nutzlast kümmert.

Jeder der drei 168er ist mit 8 MB Hauptspeicher ausgerüstet und hat umfangreiche Peripherie von Plattenlaufwerken über Massenspeicher bis hin zu Remote-Job-Entry-Systemen und Netzwerk-Controllern zu versorgen.

Die drei IBM-Rechner arbeiten weitgehend mit Standard-Systemprogrammen, die allenfalls ein wenig modifiziert worden sind, um bestimmte Realtime-Einheiten bedienen zu können. Hier seien MVS mit TSO, IMS/VS, VTAM/NCP und JES 3, das Job Entry Subsystem /3, genannt. Außerdem arbeiten die bodenständigen Shuttle-Data-Prozessoren mit "Advanced Statistics Collector", einem Programm zur Bewertung der Systemleistung, wobei unter anderem Antwortzeiten und die Häufigkeit bestimmter Anwendungen festgehalten werden.

Ein weiteres IBM-Spezialprogramm, "Real-Time Support Access Method", dient zum Zugriff auf spezielle Realtime-Einheiten wie die digitale TV-Anlage, den Computer-Input-Multiplexer und den Datenbus für die Netzwerk-Interfaceprozessoren, über den asynchronen Datenkanal IBM 2909. Und schließlich ist von den Systemprogrammen noch "Restart/Selectover" erwähnenswert, gleichfalls ein Produkt der IBM-Space-Shuttle-Maßschneiderei. Es dient dem raschen Austausch eines 168er-Rechners gegen einen anderen aus dem installierten Trio, wobei ein offline befindlicher Rechner binnen 102 Sekunden auf synchronen Realtime-Trab gebracht werden kann. Vom Backup-Modus aus dauert diese Warmlaufphase sogar nur zehn Sekunden, berichtet IBM in einer Columbia-Sonderbroschüre.

600 000 Programmzeilen Anwendung

Die Kommando- und Kontrollfunktionen der Mission Operational Support Computer im Johnson Space Center lassen sich in fünf Anwendungsprogramme mit zusammen 600 000 Programmzeilen gliedern es handelt sich dabei laut IBM um eines der größten und komplexesten Echtzeit-Programmsysteme überhaupt.

Allein 222 000 Codezeilen belegt das größte dieser fünf Anwendungsprogramme, die Flugbahnberechnung, die sich wiederum in Zweige Flugbahnüberwachung und

-bewertung sowie Flugbahnvorausberechnung und -planung gliedern läßt.

Dieses Programmbearbeitet während Start und Landung pro Sekunde 30 Radardaten, die aus teilweise weit entfernten Stationen stammen. Die rohen Signale werden vom Rechner in Angaben über Ort und Kurs der Shuttle umgerechnet. Alle zwei Sekunden zeigen die Bildschirme dem Bodenpersonal per Telemetrie auch die Flugbahndaten, die die Bordrechner ermittelt haben. Abweichungen vom vorberechneten Soll werden gleichfalls quantifiziert. Beim Start ermitteln die Rechner alle sechs Sekunden, welche Möglichkeiten eines "sicheren" Abbruchs gerade bestehen, sollte das nötig werden, weil das Raumfahrzeug vielleicht einen Fehler hat. Nach Brennschluß des Haupttriebwerks schließlich werden von einem weiteren Teilprogramm zum Erreichen einer "sicheren" Umlaufbahn ermittelt und in dem Fall, daß ein vorherberechnetes Manöver den Umständen nicht mehr genügt, an die Shuttle-Bordrechner übermittelt.

Numerische Integrationsverfahren der Flugbahn-Programme gestatten es, bei normalen Erdumkreisungen die Bahn für 48 Stunden vorauszuberechnen und den Piloten beispielsweise anzukündigen, wann für sie die Sonne auf- oder untergeht. Wichtiger aber sind diese Voraussagen bei bestimmten, mit den Nutzlasten zusammenhängenden Manövern während der Erdumrundung, die teilweise die Orientierung oder auch die Gestalt des Orbits, der Umlaufbahn also, ändern können.

Weitere Flugbahn-Programme unterstützen das, (kritische) Verlassen der Umlaufbahn, wobei sie auch die entstehende Reibungswärme berücksichtigen; sie müssen dabei ein viel kleineres Landegebiet treffen helfen als seinerzeit bei der Ozean-Rückkehr der Apollo-Mondfahrer. In der Praxis errechnen die Computer alternativ mehrere mögliche Land-Flufbahnen, ehe eine davon ausgewählt wird.

3600 Parameter pro Sekunde

Die Telemetrieprogramme mit einem Umfang von 138 000 Programmzeilen können jede Sekunde mehr als 3600 Parameter, die von der Columbia stammen, empfangen und weitere 3600 Parameter von einem Tracking Site Recorder übernehmen. Diese Rohdaten werden in sinnvolle Aussagen für die Flugüberwacher umgewandelt. Zusätzlich verarbeitet das Telemetrie-Subsystem aus jedem Datenfluß noch weitere 1600 Parameter zur direkten Darstellung auf Bildschirmen.

Zur Unterstützung der Kontrollmannschaft prüft das Telemetriesystem jeden Parameter auf Einhaltung vorgegebener Grenzen und schlägt gegebenfalls optisch oder akustisch Alarm. Die Kontrolleute können sich vom System außerdem jederzeit bestimmte Parameter in ihrem bisherigen zeitlichen Verlauf darstellen oder eine Trendkurve plotten lassen.

Die verarbeiteten Telemetriedaten werden fortlaufend auf Platten und Magnetband abgespeichert. Alle vier Stunden wird dann ein Standard-Satz "historischer" Daten erzeugt und auf Microfiche geschrieben. Diese historischen Daten können wieder geladen werden und dienen dann zum Erstellen von bis zu 700 verschiedenen Berichten - ganz nach Wunsch.

Mehr noch: Während eines Shuttle-Flugs werden Telemetriedaten von bis zu sechs Shuttle-Datenströmen und fünf simultan einlaufenden Nutzlast-Datenströmen fortlaufend von einem IBM 3850-Massenspeicher aufgezeichnet.

Kommandos mit Rückfrage

Die dritte Gruppe Anwendungsprogramme neben Flugbahn und Telemetrie arbeitet als Kommando-Subsystem, mit dem die Flugüberwacher Echtzeit-Befehle an die Bordsysteme der Shuttle übermitteln können - beim Konfigurieren des Kommunikationssystems beispielsweise. So kann die Orbit-Mannschaft vom Boden her entlastet werden. Auch Manövrier-Befehle, die von den Flugbahn-Programmen errechnet wurden, gelangen über die Kommando-Routinen nach oben in die Columbia; in gleicher Weise werden auch die Navigationsdaten jeweils auf den neuesten, in Houston errechneten Stand gebracht. Auch die bordeigene Software kann auf diese Wege neuesten Entwicklungen angepaßt werden.

Das Kommando-Subsystem selber wird über Terminals und Befehlstasten aktiviert, wobei ein spezielles Keyboard dem Boden-Team sogar die Möglichkeit gibt, in die Bordrechner Daten auf exakt die gleiche Weise einzugeben, als säßen sie selber oben im Cockpit. Damit dabei keine, möglicherweise gefährlichen Übertragungsfehler unentdeckt durchschlüpfen, werden kritische Kommandos von der Shuttle nochmals zurück nach Houston übertragen und dort mit dem gespeicherten Originalbefehl verglichen: Erst wenn dabei alles in Ordnung ist, ergeht ein weiterer Startbefehl zum Ausführen des ersten Kommandos.

Aufgabe des Network Communication Subsystems (Anwendungsprogramm Gruppe vier) ist die Konfiguration und Überwachung des Status der Kommunikationseinheiten im Flugkontrollzentrum. Diese Programme machen den Interface-Controller bereit zum Empfang von Daten aus dem weltumspannenden Netz sowie zur Trennung und korrekten Weiterleitung von Telemetriedaten einerseits und Bahnverfolgungsdaten andererseits. Auch Ausgaben an das Kommunikationsnetz werden überwacht, damit die Kapazitäten der Leitungen nicht überschritten werden. Weiterhin sorgen diese Programme dafür, daß jeweils die korrekten Konfigurationsanweisungen ausgegeben werden. Umgekehrt werden periodisch Status-Informationen empfangen und dem Netz-Überwachungspersonal angezeigt.

Schließlich sei als fünfte Gruppe noch das 135 000 Zeilen umfassende Control-Subsystem genannt, das praktisch als Bindeglied zwischen den schon beschriebenen anderen vier Gruppen dient, indem es die Systeminitialisierung übernimmt, als Terminal-lnterface fungiert und andere betriebssystemnahe Funktionen erfüllt.

Doch auch jetzt ist die Schilderung des Shuttle Data Processing Complex in Houston nicht komplett: Es fehlen noch zwei weitere Programme. Eines, "Checkout" genannt, erzeugt und analysiert Daten für die Kommando- und die Kontroll-Software also beispielsweise einen Telemetrie-Datenstrom für das Telemetrie-Subsystem, mit dem die Genauigkeit der Daten-Verarbeitung geprüft werden kann. Dieses Programm kann auch "Radardaten" für einen Test der Flugbahn-Systeme erzeugen sowie noch weitere Subsysteme mit Testdaten versorgen.

Das andere Hilfsprogramm nennt sich "Configuration Requirements Processing". Um Änderungen zu möglichst niedrigen Kosten möglichst schnell einführen zu können, arbeiten die Kommando- und Kontroll-Programme mit Konfigurationstabellen, die beispielsweise die Datenformate für Telemetrie und Kommandos beschreiben, ebenso wichtige Eigenschaften des Raumfahrzeugs oder auch die Konsol-Konfiguration der Flugüberwacher. Das genannte Hilfsprogramm nun führt eine Datei mit Informationen über das gesamte DV-Netz und erstellt auf dessen Grundlage die benötigten Konfigurationstabellen für das Kommando- und Kontroll-Programm. Dabei werden zahllose Tests zur Überprüfung der Quell-Daten sowie der resultierenden Tabellen durchgeführt; eine Arbeit, für die mehr als 200 000 Programmzeilen gefertigt werden mußten. Dabei kommt übrigens IMS/VS (Datenbankmanagement) zum Einsatz, wie IBM erwähnt.

Der dritte, für die Nutzlast zuständige 370/168-Rechner, verfügt über eigene Anwendungsprogramme von einmal 140 000 Zeilen neu generierten Codes sowie weiterhin 150 000 Zeilen vorhandener Programme zur Unterstützung der Flugüberwachungscomputer. Die Nutzlast-Programme bieten einer Reihe von Nutzlast-Kunden sowohl operative Hilfen als auch Unterstützung bei der Entwicklung ihrer Experimente. Zu den operativen Hilfen gehören Funktionen zur Verarbeitung von Telemetriedaten sowie zum Übermitteln von Befehlen an die jeweilige Last, während die Unterstützung bei der Entwicklung der Nutzlasten darauf abzielt, den Kunden Möglichkeiten zum Erstellen ganz spezifischer eigener Programme für den großen Tag des Starts seiner Apparaturen zu bieten. (Schluß im nächsten Heft.)