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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. 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 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.

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.

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.

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 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

STI

Space Tech GmbH

Azur Space

Azur Space Solar Power GmbH