Cubesats als Erderkundungssatelliten

Kürzlich las ich von einem Projekt mit dem man mit Cubesats Erdbeobachtung betreibt. Im April wurde mit dem ersten Antares Start Dove-1 gestartet. Er stammt von Planet Labs Inc. Basierend auf der Cubesat 3U Konfiguration (also 3 Units = 10 x 10 x 30 cm Normgröße) ist es mit 6 kg zwar doppelt so schwer wie normale Cubesats, aber ziemlich Leistungsfähig. Wie die Abbildung zeigt hat man ein Teleskop längs eingebaut. So umgeht man das Problem, das die 10 cm Breite im Gehäuse für ein hochauflösendes Objektiv eigentlich zu kurz sind.

Dove-1 soll Aufnahmen bis zu „Baumesgröße“ machen. Das ist natürlich dehnbar. Ein großer Baum kann sicher 20 m breit sein, aber typisch wären wohl 6-10 m. Ist das möglich? Nun ich habe mich selbst mal mit dem Thema beschäftigt. Es gibt da einige Aspekte. Ich will sie mal aufrollen

Stromversorgung

Bei Cubesats ist die Fläche auf denen Solarzellen angebracht werden können begrenzt. Bei diesem 3U Cubesat sind es maximal 10 x 30 cm. Die TJ Luna Technologie die ATK für die Orion Solararrays entwickelt, hat eine Effizienz von 29%. Damit belegt würden die Solarzellen aber im besten Fall (senkrechte Einfallsrichtung) 11,7 Watt. Wahrscheinlicher ist eher im Durchschnitt ein Einfallswinkel von 45 Grad. Dann sinkt die Leistung auf 8.3 Watt ab. Das ist nicht viel.

Sollte der Cubesat Akkus beinhalten? Nun vielleicht nicht um auf der Nachtseite auch in Betrieb zu bleiben, das macht solange man keine IR-Sensoren im mittelwelligen (thermischen) Infrarot betreibt, keinen Sinn und die müsste man kühlen, was definitiv zu viel Aufwand ist. Aber Batterien wären für zwei Einsatzgebiete sinnvoll: Um den Bordrechner und andere Systeme sauber herunterzufahren wenn man auf dem Terminator angekommen ist, da die Nacht bei einem Umlauf alle 90 Minuten und ohne Atmosphäre sehr schnell kommt und zum Senden. Realistisch hat der Satellit auf einer niedrigen Bahn nur kurz Funkkontakt zu einer Bodenstation und diese kann sich auch auf der Nachtseite befinden.

Ein 50 g schwerer Akku mit einer energiedichte von 150 Wh/kg hätte eine Kapazität von 7,5 Wh, nutzt man sie nur zu 50% um ein rasches Ermüden zu vermeiden (bei einem erdnahen Orbit kann er bis zu 16-mal pro Tag ge- und entladen werden) so reicht dies aus um einen ganzen Orbit über die Nachtseite 10 W zu liefern (45 Minuten) oder eben für kürzere Zeiträume eine höhere Leistung um z.B. einen Sender zu betreiben. Ein Akku ist also vom Gewicht her kein Problem, eher die Leistung um ihn aufzuladen.

Datenübertragung

Sinnvollerweise wird der Satellit nur eine Rundstrahlantenne einsetzen. Alles andere macht weder vom Gewicht, noch vom Konzept her einen Sinn. Wie viele Daten man dann empfangen kann, hängt von Sendeleistung und Empfangsantennen ab. Mittelgroße Empfangsantennen für Satelliten haben eine Größe von 12 m. Mit 1 Watt Sendeleistung und einem durchschnittlichen Abstand von 1000 km kann man dann auf über 50 Mbit/s zu einer 12 m Antenne übertragen, wenn der Sender eine Rundstrahlantenne ist. Mit kleineren Antennen weniger, doch sie sind preiswerter. 3 m Antennen gibt es schon für 4000 bis 5000 Dollar. Dann sinkt die Datenrate auf 3,2 Mbit/s ab, Die Datenrate hängt natürlich vom Datenvolumen ab, allerdings auch von der Anzahl der Antennen.

Wenn man wie bei konventionellen Satelliten eine oder wenige Empfangsstationen nahe des Nordpols errichtet, wie in Nordnorwegen, Alaska, Grönland, dann wäre eine große Antenne sinnvoll, sofern der Satellit in einen SSO gelangt, da er dann bei jedem zweiten Umlauf die Station passiert. Bei kleinen Antennen wäre es sinnvoller sehr viele überall in der Welt zu haben um mehr Funkkontakte zu haben und bei jedem Daten zu übertragen. Die Daten müsste man dann zentral zusammenführen. Wenn die Satelliten nicht in einen SSO gelangen ist dies auch die einzige Möglichkeit.

Da heute selbst militärische Satelliten mit JPEG oder weiterentwickelten Verfahren komprimieren (Plejades z.B. um den Faktor 5) sollte man auch so die Bilder übertragen.

optisches System

Hier gibt es einige Randbedingungen: Auflösung, Belichtungszeit und Gewicht. Baut man die Kamera quer ein. So wird man wohl ein Linsenteleskop oder besser ein Objektiv einsetzen. Der Sensor selbst braucht wenig Platz und wenig Gewicht. Eine astronomische Kamera zum Anschluss an Teleskope hat inklusive Elektronik und USB-Anschluss nur ein Gewicht von 200 g und ist weniger als 2 cm dick. Das lässt dann etwa 6-8 cm für das Objektiv. Ein Canon EF 100 mm Objektiv hat eine Länge von 7,35 cm und wiegt 460 g. Es könnte also eingesetzt werden. Nimmt man den APS-C Sensor so würde dieses bei 100 mm Brennweite ein Blickfeld von 20 x 14 Grad aufweisen. Das wären bei dem Sensor der EOS 70D mit 5472 x 3648 Pixeln eine Auflösung von 13 Bogensekunden. Das sind aus der Höhe der ISS 26 m und aus 800 km Höhe rund 52 m. Die Kantenlänge eines Fotos betrüge dann 139,6 x 93,1 km in der Höhe der ISS sowie 279,3 x 186,2 km aus 800 km Höhe.

Bei 3 Megabit/s, 8 Bit pro Pixel und Komprimierung 5:1 braucht man 11 s um das Bild zu übertragen. Würde der Satellit einen kontinuierlichen Streifen von 139,6 km Breite (aus der ISS Höhe) erstellen, so braucht man pro Orbit einen Funkkontakt über 4734 s, also mehr als zwei Dritteln der Umlaufszeit. Dabei ist eine gewünschte Überlappung der Fotos noch nicht berücksichtigt. Daraus ist klar, dass in erdnahen Orbits keine kontinuierliche Erfassung möglich ist wenn man kleine Antennen und eine geringe Sendeleistung einsetzt.

Anders sieht es aus, wenn man ein Teleskop in Längsrichtung einbaut. Die Abbildung von Dove-1 suggeriert, das das Teleskop mehr als zwei Drittel der Länge einnimmt. Geht man von 20 cm Länge aus, dann kann man bei gängigen kompakten Konstruktionen wie Maksutov oder Schmidt-Cassegrain eine Brennweite von fast 1000 mm realisieren. Die 100 mm „Russentonne“ wiegt 2,3 kg und ist 26 cm lang, das ist etwas zu groß. Leider ist das nächstkleinere serienmäßige Modell dann schon das 500 mm Gerät mit 62,5 cmm Öffnung und 78 mm Außendurchmesser bei 0.63 kg Gewicht. Doch selbst dieses hat die fünffache Brennweite des Canon EFS Objektives.

Anders als bei diesem muss man sich Gedanken um die theoretische Auflösung machen. Mit dem korrigierten Raleight Wert (175/d anstatt 122/d) für den großen Fangspiegel resultiert eine Auflösung von 2,8 Bogensekunden. Diese wird bei dieser Brennweite mit 7 Mikrometern großen Pixeln erreicht. Der EOS-70D Chip kann also nicht eingesetzt werden, er hat zu kleine Pixel Ein KAI-16070 / KAI-16000 Chip mit 4872 x 3248 Pixels (KB-Format) und 7,4 Mikrometern großen Pixeln dagegen schon. Mit diesem Teleskop kommt man auf Bildgrößen von 4,13 x 2,75 Grad. Das sind aus ISS Höhe (400 km) 6 m Auflösung und 28,84 x 19,22 km Bildgröße. In 800 km Höhe in etwa das doppelte. Das passt sehr gut zu den Daten von Dove-1, der noch dazu mit 250 km Bahnhöhe näher der Erde war.

Belichtungszeit

Ohne Nachführung muss die Belichtungszeit kleiner sein als der Durchmesser eines Pixels am Erdboden, den der Satellit am Erdboden während der Belichtungszeit zurücklegt. Nimmt man damit man keine verschmierten Aufnahmen hat die halbe Größe eines Pixels an, so wäre beim EF-55 Objektiv in 400 km Höhe die maximale Belichtungszeit <1/500 s (Blende 2) und beim Maksutov < 1/2500 s (Blende 8). Die erste ist unkritisch, die zweite trotz 30% mehr Licht im All als bei einem hellen Sommertag am Erdboden nicht mehr. Das kann als Kriterium dazu führen, dass man doch nicht die höchste Auflösung anstrebt. Geht man mit der Pixelgröße herauf, so steigt zum einen die Belichtungszeit an, und zum anderen hat man eine größere Sammelfläche, der Chip ist also dann lichtempfindlicher. Bei 10 Mikrometern Kantenlänge ist die Belichtungszeit um 35% höher und die lichtsammelnde Fläche um 82% höher als bei 7,4 Mikrometern. In der Summe erhält ein Pixel so 146% mehr Photonen.

Auf der anderen Siete hat die Kamera LORRI von New Horizons bei Blende 13 mit 13 Mikrometern großen Pixeln bei Jupiter eine Belichtungszeit von nur 1/333 s. Rechnet man dies auf 7,4 Mikrometern hoch und die 5,2-fach nähere Entfernung zur Sonne, so entspricht dies 1/2920 s. Dazu kommt dann noch die Blende von 2 anstatt 13 bei dem Canon Objektiv. Eventuell ist also diese niedrige Belichtungszeit realisierbar. Auf der anderen Seite ist die korrigierte Belichtungszeit eines Pelajdes Satelliten (15 Zeilen bei 0,7 m Auflösung) 1/666 s. Allerdings bei F/20 und 13 Mikrometern groß0en Pixeln. Bei F/2 und 7,4 Mikrometern sind dies 1/20000 s.

Stabilisierung

Eine Frage ist wie man den Satelliten stabilisiert. Schließlich soll das Teleskop zum Boden schauen. Man darf nicht davon ausgehen, dass er vor dem Abtrennen gerade so ausgerichtet wurde und wenn, dann können in Störeinflüsse drehen. Es gibt drei Möglichkeiten. Da ist zum einen die Gravitationsgradientenstabilisierung – der Satellit ist so aufgebaut dass die Masse so verteilt ist, dass die Gravitation ihn korrekt ausrichtet. Diese Methode funktioniert am besten in hohen Umlaufbahnen. bei niedrigen kann die Luftreibung den Satelliten drehen.

In niedrigen Umlaufbahnen kann man durch die Form Einfluss nehmen. Das zeigt heute der Satellit GOCE, früher die Satelliten des Corona/Gambit Systems. Ausklappbare Solarzellenausleger an der Seite oder nur ein Metallblech würden dann dafür sorgen, dass das Teleskop korrekt ausgerichtet ist.

Universtell nutzbar ist die Stabilisierung mittels des Erdmagnetfeldes. Bei dieser Größe kommt nur das passive Verfahren in Betracht dabei werden Magnete so platziert, dass sie wenn sie nicht parallel zum Erdmagnetfeld ausgerichtet sind ein Moment abgeben und den Satelliten drehen. Dieses Verfahren wurde auch bei älteren Erdbeobachtungssatelliten eingesetzt.

Bahn

Klassische Cubesats werden als Piggybacknutzlast nahe der Erde ausgesetzt und arbeiten nur einige Wochen lang. Neben der längeren Betriebsdauer gibt es weitere Gründe die Satelliten möglichst hoch, und möglichst als Sekundärnutzlast bei sonnensynchronen Missionen auszusetzen:

Eine Bahn in 800 x 600 km Höhe vergrößert das pro Satellit abgedeckte Gebiet – wichtig wenn man eine globale Abdeckung haben will.

Der Bereich in dem eine Empfangsstation Kontakt mit ihm hat wird größer, die Zeit steigt ebenfalls deutlich an. Bei einer sonnensynchronen Bahn gibt es zudem die Möglichkeit dann große polnahe Empfangsstationen einzusetzen und die Daten mit hoher Geschwindigkeit abzurufen.

Platziert man neun Cubesats um 40 Grad versetzt, und geht man von 10 Minuten Sendezeit pro Orbit zu 12m Antennen aus, so kann jeder Cubesat rund 31,2 GBit pro Orbit übertragen was über 1200 Aufnahmen (2,7 Millionen km² bei 12 m Auflösung) entsprechen. Es bleibt dann 1 Minute um die Antenne zum nächsten Satelliten zu drehen. Bei 14 Umläufen pro Tag würden die Satelliten die gesamte Erdoberfläche ablichten können (340 Millionen km², die gesamte beträgt 513 Millionen km², doch einschließlich der Ozeane).

Bei niedrigeren Bahnen hat man keine Chance alle Daten zu übertragen, da die Kontaktzeit sinkt, die Bildgröße aber auch. Zudem wird in 400 km Höhe der Satellit nur einige Jahre lang im Orbit sein, in noch niedrigeren Bahnen nur Wochen doer Monate.

Zusammenfassung

Es wäre vom technischen Standpunkt aus kein Problem mit Cubesats tatsächlich Auflösungen zu erreichen die höher sidn als bei den ersten Erderkundungssatelliten des Landsatsystems. Das erstaunt, doch gibt es schon einige etwas größere Satelliten (im 100 kg Bereich) die Aufnahmen im Bereich von 1-5 m Auflösung anfertigen wie z.B. Rapideye

Bei allem muss man allerdings an das geringe Gewicht denken. Die Elektronik ist kein Problem. Ein Microcontroller mit einer SD-Karte wäre ausreichend für die Datenkompresssion und Ablage. Schon ein Raspberry Pi wäre damit weit unterfordert. Ein PIC Mikroprozessor wohl ausreichend. Das aufwendigste ist die Datenkompression. Für 18 MPixel hat man maximal 10 s Zeit. Doch dafür gibt es heute spezielle Coprozessoren. Das Messprogramm wäre ohne Möglkichkeit der Drehung wohl sehr einfach:

  • Von der Nachtseite her kommend: Hochfahren der Systeme
  • Aufnahme machen, komprimieren
  • 10 s später nächste Aufnahme machen
  • Parallel warten auf stabiles Signal mit Code „Daten übertragen“
  • Solange Signal vorhanden ist Daten übertragen.
  • Das Löschen von schon übertragenen und als fehlerfrei erkannten Aufnahmen kann man dann durch ein Bodenkommando veranlassen.
  • Sobald Stromausbeute der Solarzellen sinkt Systeme herunterfaheren

Dabei wäre bei einem Rasberry Pi der Stromverbrauch von maximal 3,5 Watt ohne Problem von Solarzellen zu decken. Auch das Instrument ist vom Gewicht her kein Problem. Das Maksutov Teleskop wiegt in der 500 mm Version maximal 630 g, dazu kommt dann noch die Kamera mit 200 g. Eher ist das begrenzte Volumen ein Problem. Solarzellen müssten alle vier Längsseiten bedecken und wären so schwerer als unbedingt nötig. Der Sender könnte ein kleineres Problem sein. Beim Suchen was ein 1 Watt Sender für eine Größe, Gewicht und Volumen hat kam ich zwar auf Bauleitungen die ihn auf einer 72 x 118 mm Platine verwirklichten, aber die Eingangsleistung betrug bei einem 0,3 Watt Sender schon 8 Watt. Das ist ein ziemlicher Verlust. Bei größeren Sendern in Raumsonden rechnet man mit 30-50% der Eingangsleistung als Sendeleistung. Bei höheren scheint es besser zu sein. So hat ein 7 Watt UKW Sender nur einen Stromverbrauch von 22,5 Watt (15 V x 1,5 Ampere). Er ist auch von der Größe her (5,5 x 7,6 x , 12,8 cm, 1,1 kg Gewicht noch im Rahmen, wenn auch schon an der oberen Grenze. Dann braucht man aber in jedem fall eine Batterie, weil die Eingangsleistung von 22,5 Watt nicht von den Solarzellen alleine kommen kann. allerdings habe ich keine Ahnung wo ich hier genaue Daten bekomme und diese Daten beruhen nur auf einer oberflächlichen ebay Suche.

Eine etwas größere Plattform wie eine 6U Einheit (20 x 10 x 30 cm) oder eine 8U Einheit (20 x 20 x 20 cm) gäben deutlich mehr Spielraum. Mit drei Einheiten und 6 kg Gewicht ist das Konzept umsetzbar, aber nur gerade noch.

Dann soll heute zwischen 16 und 18 Uhr GMT, das dürften wenn ich richtig rechne 18 bis 20 UHR MESZ sein, die Falcon 9 zweite Version starten. Falls sie mal nicht wieder verschieben. Sowohl Probezündung wie auch Tests der ersten Stufen waren ja erst nach vier bzw. zwei Anläufen erfolgreich.

8 thoughts on “Cubesats als Erderkundungssatelliten

  1. DIe Falcon 9 ist gestartet. Die Satelliten sind im Orbit.
    Jetzt kommen aber die grossen Abers, bei den Zusatzszielen:
    -Die erste Stufe wurde bei der zweiten Zündung, um diese zu bergen, zerlegt.
    -Was aber schlimmer ist, die zweite Stufe konnte nicht wieder gezündet werden. Was in der nächsten Mission dringend notwenig ist, um einen GTO zu erreichen.

  2. Technisch scheint das ganze also machbar zu sein. Fragt sich aber wozu? Niedrig aufgelöste Satellitenbilder gibt es mittlerweile gratis im Internet. Ich kann mir keine kommerzielle oder wissenschaftliche Anwendung denken, die man nicht auch anders, und mit geringerem Aufwand verwirklichen könnte.

    Das einzige was bleibt sind militärische Anwendungen. Bekanntlich werden viele geheime Aktivitäten zeitlich so geplant, dass ein fremder Aufklärungssatellit die Szene völlig friedlich wahrnimmt, und kurz darauf werden Flugzeuge aus Hangars gerollt, Raketen auf die Startrampe gestellt, Fahrzeuge ins Gelände geschickt, etc, um vor der nächsten Passage wieder zu verschwinden. Ein Cubesat- Spionagesatellit der sich 1-2 Stunden vor oder nach einem Aufklärungssatellit im selben Orbit befindet, könnte somit Orte identifizieren, wo dies praktiziert wird.

  3. Niedrigauflösende aufnahmen benötigt man zur Wettervorhersage. Mittelaufeglöste liefern zwar auch andere Satelliten – doch die kann man ja gerade ersetzen ohne einen dreistelligen Millionenbetrag aufwenden zu müssen. Denn die Fotos gibt es nur im Internet weil irgendwann ein Satellit mal gemacht hat. Wichtig bei allen Erdbeoabachtungen ist das man auch Veränderungen erkennt, sonst müsste man seit Landsat 1 (1972) keine Satelliten mehr starten

  4. Als Wettersatellit wären wir so auf dem Stand von 1960 (Tiros 1). Heutige Wettersatelliten sind geostationär, und haben multispektrale Sensoren an Bord. Heutzutage ist auch das Netz der Bodenstationen besser als damals.

    Gerade Landsat zeigt, wie sinnlos die Sache ist: ich kenne deren Preispolitik nicht, aber ich würde schätzen, dass man für 10 kEUR mehr relevante Informationen erhält, inkl. rückwirkend seit 1972, als man mit einem eigenen Satelliten je erhoffen kann.

  5. Für 10 KEuro gibts bei den aktuellen Erderkundungssatelliten einige Bilder. polare Wetterstelliten werden nach wie vor gestartet, schlicht und einfach weil vieles von unserem Wetter in nördlichen Breiten entsteht (das berühmte Island tief). Meteop kam ja nach Meteosat und derzeit läuft die ausscheibung für ein Nachfolgesystem. Auch die USA, Russland und China unterhalten polare Wettersatelliten.

  6. Eben gerade das zeigt, dass immer noch Bedarf besteht an tonnenschweren Erderkundungssatelitten. Auch Landsat-8 wurde im Februar 2013 gestartet. Diese Firmen müssten ja am lautesten „ich“ schreien, könnte man mit cubesats mal eben 100 Mios einsparen!

    Klotzen, nicht kleckern ist hier das Motto: 10 000 mal mehr ausgeben für 10 000 mal mehr Resultate.

    Wie in meinem ursprünglichen Posting erwähnt, kann ich mir durchaus eine sinnvolle Einsatzmöglichkeit vorstellen. Allerdings würde der Betreiber wohl Wert darauf legen, dass dies nich öffentlich bekannt wird. Gibt es Hinweise darauf, dass so etwas versucÄt wurde?

  7. Mal bekommt man für 10.000 Euros alle Bilder ab 1972 oder es gibt sie umsonst im Internet, mal vertrittst Du die gegenteilige Meinung man müsste viel Geld für große Satelliten ausgeben. Kann es sein dass du deine Meinung sehr häufig änderst?

  8. Ohne dir zu sehr nahe treten zu wollen, ich sehe keinen Widerspruch. Um ein Gleichnis zu bemühen: gerade weil die Bundesbahn Millionen für neue Lokomotiven und Milliarden für Infrastruktur ausgibt, kostet eine Fahrkarte nur ein paar €, und ich und bin trotzdem schneller am Ziel, als wenn ich mir für tausende € ein Auto kaufe.

    Ein Auto ist nur dort sinnvoll, wo es keinen Bahnhof gibt.

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