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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. 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 A des Projekts wurde im Juli 2018 mit dem Preliminary Requirements Review erfolgreich abgeschlossen. Momentan wird in Phase B auf das Preliminary Design Review Anfang Februar 2019 hingearbeitet. Der Start in den Erdorbit ist für 2020 geplant.

Subsysteme

Struktur

Das Subsystem Struktur beschäftigt sich mit dem physischen Aufbau des Satelliten und dem Hitzemanagement. Das Team muss daher die Komponenten aller Subsysteme im Satellit anordnen und sicherstellen, dass alles hineinpasst und die äußeren Maße eingehalten werden. Außerdem muss es sicherstellen, dass alle Komponenten in ihrem zugelassenen Temperaturbereich bleiben.

Die Primärstruktur gilt als Rückgrat des Satelliten und nimmt die Experimente sowie deren Versorgungssysteme an Bord auf. Sie leitet während des Starts die mechanischen Lasten ab. Alle im CubeSat verbauten Platinen werden auf vier Gewindestangen gestapelt und mit acht Muttern gesichert. Damit alle elektronischen Komponenten im optimalen Leistungsbereich arbeiten können, wird ein Thermalmanagement benötigt. Idealerweise wird hierbei ein passives System aus Heizern und Radiatorflächen angestrebt. Derzeit wurden das Struktur- und das Thermalkonzept entworfen und diese werden in den kommenden Projektphasen geprüft und verfeinert.

Lageregelung

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. Um Platz zu sparen werden die Magnetorquer als spiralförmig bedruckte Leiterplatte aufgebaut.

Zur Bestimmung der Lage werden hauptsächlich Sonnensensoren, Magnetometer, GPS und Gyroskope verwendet. 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. Diese Idee ist als Technikdemonstration gedacht ist, was bedeutet, dass das Gesamtsystem somit nicht vom funktionieren der Kamera als Sensor abhängig sein darf.

In Phase A wurden Anforderungen an das System definiert,daraus hervorgehend die Komponenten und die verschiedenen Modi vorläufig ausgewählt, Orbit-Analysen zu betrieben und die Machbarkeit der Sternkamera untersucht. In Phase B wird nun am Design der Magnetorquer, der finalen Auswahl aller Komponenten, der Anordnung und Auswertung der Sonnensensoren und der Berechnung der Lage aus allen Sensorwerten gearbeitet. Außerdem wird der Algorithmus für die Auswertung der Kamerabilder entwickelt und die Housekeeping-Platine, auf der unter Anderem die ACS-Komponenten sitzen werden entworfen.

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, einer Speichereinheit und verschiedenen Schnittstellen für die Kommunikation mit anderen Subsystemen.

Zu den grundsätzlichen Aufgaben zählt:
• das Speichern von Houskeeping Daten.
• das Speichern und Verarbeiten von Payload Daten.
• die Berechnung von Steuerbefehlen zur Lagereglung.
• das Erkennen und gegebenenfalls das Beheben von Fehlfunktionen anderer Module.
• das Ausführen von Befehlen der Ground Station.
• das Aufbereiten von Daten für die Übertragung zur Ground Station.

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

• 400 MHz ARM9 Prozessor
• Flüchtiger Speicher: 64MB RAM
• Programmspeicher: 1MB NOR Flash
• FRAM: 256KB

Software:
Die Software befindet sich derzeit in der Entwicklung. Fest steht, dass die Software auf dem Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS und einem bereits im Kleinsatellit Flying Laptop erfolgreich geflogenen Flight Software Framework basieren wird.

Electical 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 Kommunikationssubsystem hat die Aufgabe die Daten zur Steuerung des Satelliten, Daten der Experimente und Telemetrie zum Status der Mission zwischen Bodenstation und Satellit zu transportieren. Dazu müssen mehrere Komponenten entwickelt werden wie ein Transceiver und eine Antenne. Das Kommunikationssystem arbeitet im S-Frequenzband, das traditionell eher bei größeren Satelliten zum Einsatz kommt. Dies erlaubt es uns die Bodenstation des Flying Laptops an der Universität Stuttgart zu verwenden und größere Datenraten zu erreichen. Zudem beschätigen wir uns mit der Intersatellitenkommunikation um Daten auch während des Wiedereintritt empfangen zu können, wenn der Satellit sich nicht über einer Bodenstation befindet.

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.

Nutzlast

Die Nutzlast von SOURCE gliedert sich in drei Bereiche:

Der erste Aspekt der Nutzlast beinhaltet ein Sensorsystem, bestehend aus Wärmeflusssensoren und FIPEX zur Messung von Sauerstoffteilchen in der Atmosphäre. Mit diesen Daten sollen am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart entwickelte Atmosphärenmodelle überprüft werden.

Der zweite Aspekt umfasst ein Kamerasystem, das zum einen der Lagebestimmung des Satelliten anhand von Bildern der Sterne und des Erdhorizonts und zum anderen der Erdbeobachtung dienen soll.

Zuletzt beinhaltet die Nutzlast einige Komponenten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des IRAS-Projekts. Diese Komponenten wurden bisher nicht im Weltraum getestet oder wurden überhaupt nicht für diese Umgebung ausgelegt. Mit SOURCE bietet sich die Möglichkeit ihre Funktion unter realen Raumfahrtbedingungen zu testen.

 

Projekt Partner

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

Frauenhofer IPA

Fraunhofer-Institut für Produktions-technik und Automatisierung IPA

STI

Space Tech GmbH

Azur Space

Azur Space Solar Power GmbH