Space for the Masses, not for the Classes

Zeit Raumfahrt jedem näher zu bringen. Zeit Raumfahrt selbst zu betreiben. Es ist Zeit aktiv zu werden und nicht passiv Videos von Raumfahrtagenturen anzusehen. Unmöglich? Nein mit etwas gutem Willen ist das möglich. Es gibt die Cubesats – kleine Satelliten von 10 cm Kantenlänge und maximal 1 kg Gewicht. Sie kosten derzeit noch um die 65.000 $, könnten aber durch Massenproduktion deutlich preiswerter werden.

Die für den Laien wohl interessanteste Beschäftigung mit der Raumfahrt ist die Erdbeobachtung. Das diese kleinen Satelliten nun keine hochauflösenden Bilder anfertigen ist klar. Aber Normalwinkelaufnahmen sollten möglich sein. Hier eine Projektidee, die vor allem reizvoll durch die Zusammenarbeit vieler ist.

Die Grundidee: Man startet nicht einen Cubesat, sondern viele. Standardisiert nur eventuell mit unterschiedlichen Sensoren. Alle dienen der Erdbeobachtung. Durch die Standardisierung und große Stückzahl werden sie deutlich presiwerter. Genauso wie es nicht nur einen Cubesat gibt, gibt es auch mehr als eine Bodenstation, doch dazu mehr. Zuerst zum Satelliten.

Ein Standard Cubesat hat Abmessungen von 10 x 10 x 10 cm und er darf maximal 1 kg wiegen. Das beschränkt nicht nur das Volumen, sondern auch die Stromversorgung. Belegt mit Standard-Solarzellen von 25% Wirkungsgrad beträgt die maximale verfügbare Leistung rund 3,3 Watt. Eine Speicherung von Energie für den Betrieb auf der Nachtseite kommt daher aufgrund der geringen Leistung und des Gewichts (die Batterie wiegt auch etwas) nicht in Frage. Der Satellit ist daher nur auf der Tagseite aktiv. Da es nicht möglich ist, den Satellit der Sonne nachzudrehen werden fünf von sechs Seiten nur mit Solarzellen belegt sein. Lediglich die letzte nimmt die Kamera und Antenne auf. Die räumliche Ausrichtung erfolgt entweder gar nicht oder passiv, z.B. durch Gravitationsgradienten oder durch Magnetkeulen parallel zum Erdmagnetfeld. Daher gibt es auf der Tagseite einen Sensor, der auf zu starkes Sonnenlicht reagiert und eine Öffnung des Kameraverschlusses verhindert.

Die Elektronik muss auch auf den Einsatzzwecke maßgeschneidert sein: geringe Stromaufnahme, schnell aktiv und geringe Hardwareanforderungen: Sobald die Solarzellen Licht erhalten beginnt die Bootphase, die nicht zu lange dauern darf. Danach ein einfacher Zyklus: Bild machen (Kamera aktiv), Bild in den Speicher kopieren, Bild senden (Sender aktiv). Er endet beim Übergang in die Nachtseite, wenn die Stromversorgung abreist. Zu einer Erweiterung des Basisprogramms komme ich noch. Die 3 Watt Gesamtleistung verteilen sich dann auf alle Systeme. Wenn die Kamera aktiv ist, ist daher der Sender abgeschaltet.

Die Instrumentierung muss daher auch einfach sein, weil nur etwa 100 – 200 g dafür zur Verfügung stehen. Das reicht immerhin für ein Fixfokusobjektiv einer Digitalkamera mit CDD-Chip. Individuelle Anpassungen kann es geben durch Wahl des Sensorchips, der Brennweite, oder der Beschränkung auf bestimmte Spektralbereiche. Darüber können viele Cubesats auch wissenschaftlich wertvolle Daten liefern und Wettersatelliten ergänzen.

Der Sender kann natürlich nicht sehr leistungsfähig sein. Ich bin von einer Rundstrahlantenne ausgegangen und 0,3 Watt Sendeleistung. Das entspricht dann einer Gesamtleistung von 1 Watt, da die Sender typischerweise nur 30% der Leistung als Funkwellen abstrahlen. Das wäre z.B. die Leistung von 3 Sendern wie sie WLAN Stationen einsetzen. Damit man zum Boden überhaupt eine brauchbare Datenrate erreicht, habe ich mich für standardisierte Bodenstationen entschieden. Die Datenrate hängt dann noch vom Abstand von der Erde ab. Bei 1.000 km errechne ich eine Datenrate von 80 kbit). Dies ist ausreichend für die später beschriebene Bahn nahe der Erde bis maximal 500-600 km Höhe (es wird nicht nur empfangen, wenn der Satellit direkt über einem ist, sondern auch wenn er flach über dem Horizont steht und dann noch von einem räumlich entfernt ist). Bildgröße und Pxielzahl hängen eng mit der Datenrate und Distanz zusammen. Nimmt man die Datenrate von 80 kbit und eine Transitzeit von 4 Minuten so kann man in dieser Zeit maximal 1,920 MByte übertragen. Das entspricht bei geringer JPEG Komprimierung in etwa einem 5 MPixel Bild. Nimmt man einen 4 MPixel Sensor (2048x 2048 Pixel) und geht davon aus, dass jedes Bild an das vorhergehende anschließen soll, so darf die Kantenlänge auf dem Boden maximal der Distanz entsprechen, die der Satellit in diesen 4 Minuten zurücklegt. Das sind bei einer erdnahen Umlaufbahn etwa 1.700 km, Die Auflösung würde also 1 km betragen, wenn man einen Streifen während der Tagseite abbilden möchte. Ist man weiter von der Erde entfernt, z.B. in 800 km Höhe hat man pro Transit deutlich mehr Zeit als nur 4 Minuten. Aber die Datenrate ist auch geringer, weil die Übertragungsdistanz höher ist. Sinnvoll ist daher eine vorkonfigurierte Elektronik für alle Cubesats, die verschiedene Datenraten in festen Inkrementen handhaben kann.

Der Prozessor muss nicht besonders leistungsfähig sein: Er muss nur die Daten in JPEG konvertieren und dann langsam senden. einzige Bedingung ist, dass er einen Datenspeicher genügend groß für mindestens 1 Bild ansprechen kann, eventuell einige mehr. Aber 16 Mybte würden für rund 8 komprimierte Bilder reichen, wobei wir in der Leistungsklasse von 16 Bit CPU’s sind.

Das ganze macht aber nur Sinn, wenn man auch eine Bodenstation hat. Betreibt jeder seinen Satellit baut ihn selbst, dann wird das nie was. Cubesats aller Länder vereinigt euch: Nicht nur die Satelliten sollten bis auf die Sensoruj identisch sein (auch identische Datenformate) sondern auch die Bodenstationen. Ich dachte an handelsübliche 90 cm Satellitenantennen. Sie werden auf ebenfalls handelsübliche Teleskopmontierungen mit Nachführmotoren montiert und diese Nachführmotoren werden vom Computer gesteuert: Es gibt zwei Möglichkeiten entweder dem Signal eines Satelliten nachgeführt, sodass immer die Antenne auf den Punkt schaut, wo die höchste Sendestärke resultiert. Nach einem Pass wird sie wieder nach Norden gedreht wo der nächste Satellit wartet. Sobald sie einen erfasst führt man wieder die Antenne nach. Das zweite ist es den Überflug vorherzusagen, indem ein PC von einem zentralen Server die Daten holt und danach die Antenne steuert. Die Daten selber, kann man durch Vermessung der Bahn mit einer Antenne erhalten oder aus den Daten des NORAD.

Nur mit einem Netz von Bodenstationen macht es Sinn. Jeder stellt seine Bodenstation auch anderen Cubesat Nutzern zur Verfügung und empfängt Daten anderer Satelliten und überträgt diese an einen zentralen Server. Von dort können die Daten vom Satellitenbetreiber heruntergeladen werden. Er kann so nicht nur auf seine Bilder zugreifen, sondern auch andere und er kann Bilder von der ganzen Welt von seinem Satelliten empfangen und nicht nur die von der Region wo seine Bodenstation ist. Es ist, weil die Bodenstationen viel billiger sind, auch denkbar das es viel mehr Bodenstationen als Satelliten gibt und man so zu einer fast vollständigen Abdeckung über Land kommt. Eine Community sollte es ermöglichen die Bilder herunterzuladen. Um die Sache populär zu machen, sogar für Leute die nicht beteiligt sind. Bilder können von der Bordelektronik auch verschlüsselt übertragen werden. Dann kommt nur der Eigentümer der Bilder an die Daten. Ein Großteil sollte jedoch für alle zur Verfügung stehen. Andere Optionen sind Bilder von bestimmten Gebieten, die auf einem Flash-Speicher abgelegt werden, und dann zuerst übertragen werden und das Meßprogramm unterbrechen. Dazu benötigt der Bordrechner eine Echtzeituhr, die aber technisch kein Problem ist. Im PC gibt es sie seit 30 Jahren.

Mögliche Spezialisierungen:

  • – Bilder mit Filter – mehrere Satelliten ergeben ein Multispektralinstrument
  • – Teleaufnahmen – kleine CCD Chips erlauben heut ohne Problem ein 10fach Zoomobjektiv bei geringem Gewicht. Das entspricht aus 350 km Höhe nur noch einer Kantenlänge von 35 km oder bei 2000 Bildpunkten rund 18 m Auflösung.

In den Orbit kommen und ds Problem Weltraummülls

Eigentlich sind Cubesats nützliche Satelliten und kein Weltraummüll, aber viele sehen den Start zahlreicher kleiner Satelliten als eine Vergrößerung des Weltraummülls. Wir wollen mal diesen Leuten folgen, auch wenn ich chinesische und US-Antisatellitentests als viel größere Verursacher von Weltraummüll ansehe. Das dürfte den Einsatz in höhere sonnensynchrone Bahnen ausschließen. Niedrige Umlaufbahnen in rund 400-500 km Höhe mit einer Lebensdauer von 5-20 Jahren kommen noch in Frage. Dabei sind sonnensynchrone Bahnen besonders interessant, weil dabei der Satellit die ganze Erde ablichten kann (sie führt über die Pole) und der Satellit ist mit Ausnahme von kurzen Zeiten fast immer im Sonnenlicht, kann also rund um die Uhr arbeiten.

Ein grundsätzliches Problem sind die Mitfluggelegenheiten. War es früher kein Problem, neben militärischen Satelliten selbst Dutzende bis Hunderte von Kilogramm schwere Kommunikationssatelliten mitzuführen, so beklagt selbst die Amaturfunkvereinigung AMSAT, dass dies heute kostenlos nichts mehr zu haben ist und kommerzielle Startdienstleister auch für kleinste Nutzlasten bares sehen wollen. Um die Kosten zu begrenzen sollte es eine standardisierte, einfache Möglichkeit geben, Cubesats mitzuführen, z.B. auf den Lenkungen (sie brauchen wenig Platz sind ja maximal 10×30 cm groß für ein Dreierpack. Um dem Kostenrisiko zu begegnen aber auch das Problem der Umlaufbahn zu lösen habe ich eine Lösung die es auch erlaubt zahlreiche Satelliten zu starten ohne dass es viel Weltraummüll gibt:

Die ISS wird ab 2012 von etwa 10 unbemannten Transportern pro Jahr angeflogen werden. Wenn jeder dieser Transporter einen Cubesat-Container mitführt (je drei Stück) so sind dies 30 Fluggelegenheiten pro Jahr. Dabei machen diese den Transporter kaum schwerer. Sie können abgesetzt werden wenn eine Höhe von 350 km erreicht ist, etwa 50 km unter der Orbitalhöhe der ISS. In dieser Höhe haben sie eine Betriebsdauer von etwa einem halben bis einem Jahr. Sie stllen so auch keine Gefahr als Weltraummüll dar. Ein einfacher Aussetzmachenismus mit Federn könnte die Cubesats freisetzen. Für die Raumfahrtagenturen bedeutet dass nur wenig zusätzliche Kosten eine enorme Publicity für wenig Geld. für die community ist es eine planbare Sache, da man genügend Startgelegenheiten hat. So dürften permanent etwa 15 bis 30 Cubesats im Orbit sein, die alleine durch ihr anzahl z.B. Wettersatelliten unterstützen können, auch wenn jeder in seinen Möglichkeiten beschränkt ist.

Weitergehende Möglichkeiten

Cubesats können auch zu zweier und DreierExemplaren kombiniert werden. Die vergrößerte Fläche liefert dann mehr Strom und erlaubt weitergehende Möglichkeiten auch die instrumentelle Ausrüstung könnte so verbessert werden. So wäre denkbar als nächste Generation einen Cubesat-2 Plattform zu entwerfen mit weitergehenden Möglichkeiten. Denkbar wären leistungsfähigere Kameras höhere Auflösung und Datenraten oder die Kombination von Kameras mit verschiedenen Spektralbereichen (Vorteil: Bilder werden zum gleichen Zeitpunkt gewonnen). Aber auch ein einfaches Spektrometer um Spurengase zu detektieren.

Der Vorteil einer kleinen Flotte von Cubesats, die sich gegenseitig ergänzen ist, dass viele kleine Satelliten in gewissen Grenzen einen größeren ergänzen können. Geht man von obigen Szenario aus (30 Satelliten in einen 350 km hohen Orbit, davon etwa 20 pro Jahr betriebsbereit, Abdeckung der Umlaufbahn über zahlreiche private Bodenstationen, geschätzt 30% der Umlaufsdauer) so wäre folgendes Möglich:

  • tägliche globale Abdeckung zur Wetterbeobachtung mit 140 m Auflösung (310 km Kantenlänge pro Bild)
  • tägliche globale Abdeckung in 4 Spektralkanälen mit 280 m Auflösung (620 km Kantenlänge pro Bild)
  • 6 Stunden – Abdeckung (Wettervorhersage in einem Spektralkanal oder Farbe (Bayer-Maske) in 280 m Auflösung
  • Detailaufnahmen nur des Landes mit 16 m Auflösung, globale Abdeckung nach 23 Tagen erreicht.

Die beschränkten Möglichkeiten für die Optik limitieren den Einsatz bei hohen Auflösungen. Den Einsatz bei niedrigen Auflösungen (jeder Satellit ein Kanal) wird limitiert durch die Bildbreite – ist sie zu groß, so wird zwar viel abgebildet, aber aus der geringen Bahnhöhe resultieren starke Verzerrungen zum Bildrand hin.

6 thoughts on “Space for the Masses, not for the Classes

  1. Bilder, die einmal eine verlustbehaftete JPEG Kompression durchlaufen haben sind u.U. für eine Weiterverarbeitung nicht mehr brauchbar. Die JPEG Kompression ist darauf ausgelegt dem menschlichen Auge noch ein brauchbares Bild zu präsentieren.

    Alternativ kann ein verlustloser Kompressionsalgorithmus aus dem TIFF Bereich verwendet werden, damit bleiben die Bilder aber größer.

    Ist in einer Umlaufbahn unter 500km Höhe schon eine rad-hard CPU erforderlich, oder können kommerzielle SOCs und RAMs verwendet werden?

    Welches Frequenzband ist für den Sender akzeptabel?

    Gibt es SOCs mit denen man mit möglichst wenig diskreter Beschaltung einen solchen Sender bauen kann?
    (Ich kenne mich mit Funktechnik nicht aus.)

  2. Inzwischen senden fast alle Raumsonden mit verlustbehafteter Kompression. Die letzte die es nicht tat war Cassini. Das ist inzwischen State of the Art.

    Die Empfindlichkeit einer CPU ist natürlich auch abhängig von der Komplexität der Aufgabe. Es gibt ja genügend Designs die für diese geringe Rechenaufgabe ausreichend sind. Zudem ist die Lebensdauer begrenzt.

    Da der Sender eine Rundstrahlanrenne verwendet, benötigt man kein hochfrequentes Frequenzband. im Bereich unter 1 GHz gibt es einige Bänder die für wissenschaftliche Satelliten vorgesehen sind. Darüber Hinaus natürlich noch das S- und X-Band bei 2 und 6-8 GHz, die dafür reserviert sind.

  3. Hallöchen Leute,

    ich bin gerade eben, per Googelsuche, auf diesen Blog gestoßen und würde gerne eine Bitte äußern.
    Derzeit läuft bei mir ebenfalls ein Cubesat-Projekt am laufen und aktuell habe wir so unser Kreuz mit der Datenrate, sie ist unbefriedigend niedrig nur 9,6kbit. Leider gibt das Link- budget aktuell nicht mehr her. Wir haben vor im S-Band bei 2,4 GHz zu funken und nehmen für den Cubsat ebenfalls einen Rundstrahler an.
    Ich wäre daher für daher für Ideen, Literaturhinweise oder ähnliches sehr dankbar. Weitere Details liefere ich bei Bedarf nach, es ist leider schon recht spät.

    MfG Weltraum Wolf

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