SOURCE

Stuttgart Operated University Research Cubesat for Evaluation and Education

Was ist SOURCE?

SOURCE (Stuttgart Operated University Research Cubesat for Evaluation and Education) ist ein Nanosatellit mit einer Größe von ca. 10 * 10 * 30 cm^3. Damit entspricht er dem 3U+ CubeSat Standard. Der Satellit wird in einer Kooperation zwischen Ksat e.V., dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart und dem IRAS Projekt entwickelt. Der Hauptteil der Entwicklungsarbeit wird von KSat Mitglieder und Studenten der Universität Stuttgart durchgeführt. Das IRS unterstützt die Studenten durch Mentoren für alle Subsysteme und durch Expertise, unter anderem vom Kleinsatelliten Flying Laptop.

IRAS (Integrated Research Platform for Affordable Satellites) ist eine Kooperation aus Industrie und Forschung um eine Entwicklungsplatform für Satelliten und neue Technologien zu schaffen. Es stellt mehrere Technologiedemonstrationen als Nutzlasten für SOURCE, unter anderem Solarpaneele, ein neuartiges Verbundstoff-Sandwich und nicht speziell für die Raumfahrt entwickelte Sensoren. Weitere Teile kommen vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. Außerdem wird eine Kamera des IRS für spätere Missionen erprobt, sowohl für Erdbeobachtung als auch als Sternkamera zur Lagebestimmung. Um sie vor einfallendem Streulicht zu schützen befindet sich vor der Kamera ein ausfahrbares Baffle. Außerdem befindet sich eine kleinere Farbkamera an Bord, die "PRIma" (PR-Imager). Diese Komponenten sollen in den anspruchsvollen Bedingungen des Weltraums getestet werden. Neben diesen technologischen wird SOURCE auch mehrere wissenschaftliche Nutzlasten des IRS fliegen. Zwei FIPEX Sensoren an der Vorderseite messen atomare Sauerstoffkonzentrationen in niedrigen Orbits unter 200km Höhe. Wärmeflusssensoren, verteilt um den Satelliten, werden während der gleichen Phase Daten sammeln.

Phase B des Projekts wurde im März 2019 mit dem Preliminary Design Review erfolgreich abgeschlossen. Momentan wird in Phase C auf das interne Critical Design Review im April 2020 hingearbeitet. Seit März 2020 wird das Projekt mit der Unterstützung des Education Office der Europäischen Weltraumagentur ESA im Fly your Satellite!-Programm durchgeführt. Nach der erfolgreichen Teilnahme am Auswahlworkshop im Dezember 2019 wurde SOURCE gemeinsam mit zwei anderen Satelliten ausgewählt an der dritten Ausgabe des Programms  teilzunehmen. Dabei wird das Team durch Experten der ESA bei Entwicklung und Tests des Satelliten unterstützt. Höhepunkt des Programms ist der von der ESA organisierte Start in den Erdorbit, der aktuell für 2022 geplant ist. Mehr zum Fly Your Satellite!-Programm kann auf dessen Website gefunden werden.

Subsysteme

Struktur und Thermal

Das Subsystem Struktur beschäftigt sich mit dem physischen Aufbau des Satelliten und dem Hitzemanagement. Das Team muss die Komponenten aller Subsysteme im Satellit anordnen und sicherstellen, dass alle Komponenten hineinpassen und in ihrem zugelassenen Temperaturbereich bleiben. Außerdem entwickelt das Team die Ausfahrmechanismen der Solarzellen und des Baffles der Kamera.

Die Primärstruktur ist das Rückgrat des Satelliten und nimmt die Experimente sowie deren Versorgungssysteme an Bord auf. Alle im CubeSat verbauten Platinen werden auf vier Gewindestangen gestapelt und mit einem Mechanismus verspannt. Anschließend werden Solarpaneele, Antennen und Experimente auf den Außenseiten angeschraubt. Alle elektronischen Komponenten werden durch Thermalsensoren überwacht und durch Heizer im zugelassenen Temperaturbereich gehalten. FEM- und Thermalsimulationen analysieren das Verhalten des Satelliten während Start und Betrieb. Derzeit werden die Primärstruktur und Testhalterungen für die Fertigung vorbereitet und ein Zusammenbau- und Integrationskonzept ausgearbeitet. Nach dem Zusammenbau wird der Prototyp in mehreren Shakertests den Startbedingungen ausgesetzt.

Eine weitere Aufgabe des Teams ist das Design der Auswurfschalter. Sie registrieren wenn der Satellit den Startbehälter an der Rakete verlässt und aktivieren dann den Satelliten.

Nutzlast

Die Nutzlast von SOURCE lässt sich in drei Gruppen unterteilen: Die atmosphärischen und Widereintritts - Sensorik, das Kamera System und die Komponenten des IRAS-Projekts.

Das Ziel der atmosphärischen Sensorik ist es, Simulationen von Wiedereintrittsszenarien mit der Software PICLas zu verifizieren und zu verbessern. Um dies zu erreichen, werden zahlreiche Sensoren auf dem Satelliten platziert, welche über die Missionsdauer Messungen durchführen, mit einem Schwerpunkt auf den Wiedereintritt am Ende der Mission. Diese Sensorik bestehen aus Photodioden, Wärmeflussdichtesensoren, Drucksensoren sowie FIPEX-Sensoren welche atomaren und molekularen Sauerstoff messen können und am IRS entwickelt wurden.

Mit dem Kamerasystem soll ein Star- und Horizontracker erprobt werden, sowie Meteore beobachtet werden um die Entstehung unseres Sonnensystems besser verstehen zu können und um das System für zukünftige Missionen zu testen. Da sich der Satellit oberhalb der Atmosphäre befindet kann er auch schwach leuchtende Meteore erfassen, deren Licht von Kameras am Boden nicht erfasst werden kann. Eine zweite Kamera, kurz PRIma, soll zur Erdbeobachtung eingesetzt werden. Umgesetzt werden soll dies mit "Commercial off the shelf" (COTS) Teilen um diese für Raumfahrtanwendungen zu verifizieren.

Die dritte Gruppe der SOURCE Nutzlast besteht aus den Komponenten des IRAS-Projekts. Dessen Ziel ist es durch Verwendung von kommerziellen Bauteilen Satelliten günstiger herstellen zu können. Die Nutzlast des IRAS-Projekts auf SOURCE besteht aus effizienten Solarzellen von AzurSpace,  einem Smart-Heater mit selbstregulierender Heizleistung und einer multifunktionalen Sandwichstruktur mit eingebauten Radiometern, Gyroskopen und Dehnungsmessstreifen.

Lageregelungssystem

Das Attitude Control System (ACS) beschäftigt sich mit der Kontrolle der Ausrichtung des Satelliten. Nach dem Auswurf von der Rakete muss es den Satelliten stabilisieren. Im weiteren Verlauf der Mission müssen die Solarzellen auf die Sonne, die Kamera auf die Erde, die FIPEX-Sensoren in Flugrichtung oder die Antenne auf die Bodenstation ausgerichtet werden.

SOURCE verwendet zur Kontrolle seiner Lage Magnetorquer. Das sind Magnetspulen, die ein Magnetfeld aufbauen, dass sich ähnlich wie ein Kompass, zum Erdmagnetfeld ausrichten möchte. Dadurch kann ein Drehmoment erzeugt und der Satellit gesteuert werden. Nur mit Magnetorquern kann allerdings kein Drehmoment um den Magnetfeldvektor aufgebaut werden. Dadurch kann der Satellit zu jedem Zeitpunkt nur in zwei Achsen kontrolliert werden. Allerdings bewegt er sich in seinem Orbit durch verschiedene Bereiche des Erdmagnetfelds und kann so im Laufe der Zeit in allen drei Achsen gesteuert werden. Die Magnetorquer bei SOURCE werden als dünne flächige Spulen gebaut. Ein 3,5 cm breites Band aus Kupferdraht wird in mehreren Lagen auf 2mm Dicke gewickelt. Die Windungen werden durch ein Epoxidharz verbunden und in die Seitenflächen integriert bzw. im Platinenstapel verbaut.

Zur Bestimmung der Lage werden hauptsächlich Sonnensensoren, Magnetometer, GPS und Gyroskope verwendet. Die Messungen von Sonnensensoren und Magnetometern werden jeweils mit einem Sonnenmodell bzw. einem Modell des Erdmagnetfelds verglichen. Das lokale Magnetfeld hängt stark von der Position des Satelliten ab. Diese wird durch die Daten des GPS bestimmt. Die Messungen aller Sensoren werden in einem Kalman-Filter zu einer Lage kombiniert.

Neben diesen für CubeSats typischen Sensoren soll auch erprobt werden die Erdbeobachtungskamera als Sensor für die Lageregelung zu benutzen. Sie soll als Stern- und Horizontkamera Bilder vom Sternenhimmel bzw. dem Erdhorizont aufnehmen und dann durch Abgleichen der Bilder mit einem Modell der Erde oder einem Sternkatalog die Lage bestimmen. Stern- und Horizontkameras sind keine neue Idee und werden seit Jahrzehnten in der Raumfahrt verwendet. Eine kommerzielle Erdbeobachtungskamera für diese Aufgabe zu verwenden ist allerdings bisher nur wenig erprobt worden und verspricht im Erfolgsfall eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der Lagebestimmung, ohne große zusätzliche Kosten. Da die Kamera allerdings bei SOURCE eine Technologiedemonstration ist, muss das Lageregelungssystem auch ohne sie funktionieren können.

Im Moment wird daran gearbeitet alle Teile der Lageregelungsschleife zu finalisieren. Das Design der Magnetorquer ist abgeschlossen, jetzt wird ein Hersteller gesucht. Die Algorithmen für die Lagebestimmung werden entwickelt. Alle Sensoren werden an Arduino Mikrocontroller angeschlossen, getested und die Software für ihre Ansteuerung geschrieben. Außerdem wird die Entwicklung des Startrackers und der Platine auf der alle Komponenten sitzen fortgesetzt.

OnBoard Data Handling

Das Subsystem On Board and Data Handling ist die zentrale Steuereinheit des CubeSats. Von hier aus werden Befehle verteilt, der Zustand des gesamten Satelliten überwacht und Ereignisse protokolliert. Der für die Umsetzung der Anforderungen eingesetzte On Board Computer besteht im Wesentlichen aus einem Mikrocontroller, verschiedenen Speichereinheiten und Schnittstellen für die Kommunikation mit anderen Subsystemen.

Zu den grundsätzlichen Aufgaben zählt:

  • das Speichern von Housekeeping Daten.
  • das Speichern und Verarbeiten von Nutzlastdaten.
  • das Kommandieren der Satellitenmodi.
  • die Berechnung von Steuerbefehlen zur Lagereglung.
  • das Erkennen und gegebenenfalls das Beheben von Fehlfunktionen angeschlossener Geräte.
  • das Ausführen von Befehlen der Bodenstation.
  • das Aufbereiten von Daten für die Übertragung zur Bodenstation.

Hardware

Als On-Board Computer mit ausreichend Rechenleistung und Speicherkapazität um die Aufgaben zuverlässig ausführen zu können wird der iOBC (ISIS On Board Computer) eingesetzt.

Software

Die Abbildung „Softwarearchitektur“ zeigt den grundsätzlichen Aufbau der On‑Board Software von SOURCE. Der AT91SAM9G20 stellt dabei die physikalische Schicht in der Architektur dar worauf unter Verwendung eines Timers das Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS aufbaut. Durch FreeRTOS kann ein Programm in mehrere Prozesse aufgeteilt werden. Der Zugriff auf prozessorinterne Ressourcen der jeweiligen Prozesse wird dabei von FreeRTOS verwaltet. Anders als bei Standard‑Betriebssystemen kann ein Prozess mit niedrigerer Priorität niemals vor einem Prozess mit höherer Priorität ausgeführt werden. Dies ist essenziell um Echtzeitanforderungen an die Software gewährleisten zu können.

Des Weiteren basiert die Software auf einem am Institut für Raumfahrtsysteme entwickelten Flight Software Framework (FSFW), das bereits im Kleinsatelliten Flying Laptop erfolgreich eingesetzt wird. Das FSFW stellt mehrere Bausteine und Vorlagen für Softwarekomponenten in Form von abstrakten Klassen zur Verfügung wodurch die Entwicklungszeit reduziert und die Zuverlässigkeit der Software erhöht wird. So gibt es beispielsweise ein Unterframework, welches das Programmieren von PUS Services erleichtert. PUS steht für Packet Utilization Standard und ist ein von der ESA entwickelter Standard, der eine Reihe missionsübergreifender Services für den Satellitenbetrieb definiert. Zusätzlich wird die Paketstruktur der Daten durch den Standard festgelegt wodurch Kompatibilität zwischen verschiedenen Bodenstationen und Satelliten erreicht wird.

Für die Entwicklung der Software wird das Entwicklungsboard AT91SAM9G20-EK verwendet das auf dem gleichen Mikroprozessor wie der iOBC basiert. Aktuell besteht die Software neben FreeRTOS und dem FSFW aus mehreren PUS Services, die im Laufe von Phase C1 programmiert wurden. Des Weiteren wurde der lwIP Stack implementiert und die Ethernet Schnittstelle des AT91SAM9G20-EK konfiguriert was ein unkompliziertes Testen der PUS Services erlaubt. Dafür wurde ein Python Skript geschrieben, das automatisch verschiedene Telekommandos sendet und deren erfolgreiche Verarbeitung anhand der zurückgesendeten Daten verifiziert.

In Phase C2 sollen nun sämtliche Gerätetreiber in der Software integriert werden. Dies umfasst zum einen das Programmieren der Schnittstellentreiber aber auch die Implementierung gerätespezifischer Komponenten wie Kommunikationsprotokolle oder Fehlerbehandlungsmaßnahmen.

Electrical Power System

Das EPS (Electrical Power System) ist zuständig für die Energieversorgung unserer Mission. Das Subsystem setzt sich aus einem Energieerzeuger einem Energiespeicher und einem Energieverteiler zusammen. Ein ideales EPS besteht aus effizienten Solarzellen zur Energieerzeugung, einer ausreichend großen Batterie zur Speicherung der Energie und einer PCDU (Power Control and Distribution Unit) welche in der Lage ist die Energie an die entsprechenden Subsysteme zu verteilen. Bei SOURCE ist das EPS zudem zuständig für den Startvorgang des Satelliten und das Entfalten der Solarpaneele.

Kommunikation

Das Kommunikationssystem hat drei Aufgaben:

  • Kommandos zur Steuerung des Satelliten empfangen
  • Statusinformationen zum Boden senden
  • Nutzlastdaten übertragen

Die ersten beiden Aufgaben sind besonders kritisch für die Mission, da Fehler in den Kommandos schnell zum Versagen des Satelliten führen können. Bei Nutzlastdaten zählt dagegen die erreichbare Datenrate mehr. Es sind bis zu 1 Mbit/s geplant.

Die Datenübertragung geschieht per Funk. Für die direkte Kommunikation zwischen der Bodenstation des IRS und SOURCE werden Frequenzen im S-Band (2 – 2,4 GHz) verwendet. Auch andere Bodenstationen unserer Partner weltweit können damit erreicht werden. Traditionell kam diese Technik eher bei größeren Satelliten zum Einsatz, findet nun aber auch Anwendung in CubeSats.

Auf dem Satelliten werden ankommende Funksignale über zwei Patchantennen empfangen. Sie sind für Signale aus allen Richtungen empfindlich. Die Signale werden an einen Transceiver weitergeleitet, der diese in Computer-Kompatible Daten umwandelt. In der entgegengesetzten Richtung – zum Boden hin – funktioniert es umgekehrt. Daraus ergibt sich der Name des Transceivers: Empfänger „Receiver“ und Sender „Transmitter“. Aktuell wird ein Transceiver von Syrlinks eingeplant.

Die übertragenen Daten werden in zusätzliche Protokolle verpackt und mit bestimmten Algorithmen codiert, um die Zuverlässigkeit der Übertragung zu steigern. Falsch empfangene Daten können so korrigiert oder verworfen werden. Dabei orientieren wir uns am internationalen Standard CCSDS. Für die sehr rechenintensive Codierung kommt ein FPGA zum Einsatz.

Während des Wiedereintritts – der den Satelliten zerstören wird – kann es passieren, dass SOURCE keine Bodenstation in Sicht hat, beispielsweise über dem Pazifik. Um die wertvollen atmosphärischen Messdaten trotzdem zu übertragen ist das sekundäre Kommunikationssystem vorgesehen. Hier werden im L-Band (1,6 GHz) kurze Nachrichten, einer SMS vergleichbar, an das Netzwerk von Iridium gesendet. Dadurch besteht die Möglichkeit unabhängig von der aktuellen Position Daten zu übertragen. Diese Fähigkeit ist für CubeSats selten. Iridium betreibt eine Konstellation aus 66 Satelliten, die primär für Satellitentelefone eingesetzt wird. Auch der Transceiver auf SOURCE ist eigentlich für handelsübliche Satellitentelefone gedacht.

Operations and Ground

Das Subsystem Operations and Ground beschäftigt sowohl mit der Bodenstation, als auch mit dem Betrieb des Satelliten. SOURCE wird hierbei die Bodenstation des IRS verwenden, die bereits in Betrieb ist und für den Satelliten „Flying Laptop“ benutzt wird. Hierfür ist es jedoch notwendig, die existierende Software der Bodenstation zu überarbeiten, damit diese auch für SOURCE genutzt werden kann. Dies betrifft vor allem das Flugdynamik-Tool, das für die Auswertung der Navigationsdaten zuständig ist, aber auch das Missionsplanungs-Tool und die Mission-Control-Software (MCS). Hierbei soll so viel wie möglich automatisiert werden, um den späteren Betrieb des Satelliten zu erleichtern.

Außerdem ist das Subsystem für den betrieblichen Ablauf des Satelliten zuständig. Dabei müssen verschiedene Szenarien simuliert und ein Zeitplan erstellt werden, um einen sicheren Betrieb des Satelliten und somit den Erfolg der Mission zu gewährleisten.

Testbed

Das Subsystem Testbed erstellt einen Simulator des gesamten SOURCE CubeSats. Der Onboard Computer soll an den Simulator angeschlossen werden, um somit dessen Software zu verifizieren und zu testen.

In diesem Subsystem werden von allen Komponenten Modelle erstellt. Diese Modelle werden dann entsprechend des echten CubeSats verknüpft und getestet. Somit soll der gesamte CubeSat schon vor dem Bau getestet und verifiziert werden. Die einzelnen Modelle der Komponenten werden dann später nach und nach durch die echten Hardware Bauteile ersetzt.

Des Weiteren wird ermöglicht, durch den Simulator die Bodenstation für den Satelliten vorzubereiten und das Bodenpersonal auf den Betrieb vorzubereiten.

Projektpartner

IRS

Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart

DLR Stuttgart e.V.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

DLR Bremen e.V.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

IRAS
Integrated Research Platform for Affordable Satellites
AIRBUS

AIRBUS Defence and Space

Fraunhofer IPA

Fraunhofer-Institut für Produktions-technik und Automatisierung

STI

Space Tech GmbH

Azur Space

Azur Space Solar Power GmbH

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