Cubesats als Wetter- / Ökologiesatelliten

Das Beispiel der Erderkundungssatelliten mit Cubesats von gestern bringt mich auf eine Alternative, die erheblich besser umsetzbar ist: Ein Satellit der den ganzen Globus abdeckt und zwar in niedriger Auflösung:

  • Basis soll wie bei DOVE-1 ein Körper von 10 x 10 x 34 cm sein, bei einem Gewicht von 6 kg
  • Basierend auf den gestern schon ausgearbeiteten Grundlagen kann man folgende Komponenten fix machen:
  • Kamera: EOS-1100D APS-C Sensor: KAF-8300 (3356 x 2604 Pixel) + 18 mm EF Fixfokusobjektiv: ca. 400 g
  • Sender: 7 Watt UKW Sender: 5,5 x 7,6 x 12,8 cm groß, 1,1 kg Stromverbrauch 22,5 Watt
  • Bordcomputer: Rasberry Pi Modell B, 3,5 Watt Stromverbrauch. Massenspeicher: SDHC Karte 32 GB
  • Stromversorgung Solarzellen rundum, maximal 11,7 Watt, im Mittel 8,3 Watt. 1 Akku für den Sendebetrieb Kapazität 12 Wh.
  • Wie jeder Wettersatellit sollte der Cubesat auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn ausgesetzt werden.

in 800 km Höhe hat ein Bild eine Größe von 57,7 x 43 Grad oder 805 x 601 km. Bei fortlaufender Abdeckung muss alle 90 s ein neues gemacht werden. Die Datenmange pro Orbit beträgt dann (unkomprimiert, 12 Bit/Bildpunkt) 6,8 GBit. Die Auflösung liegt bei 240 m/Pixel, was höher ist als bei operationellen Wettersatelliten (die jedoch ein größeres Blickfeld abdecken). Mit einem Weitwinkelobjektiv wäre die Abdeckungsbreite vergrößerbar, so würde ein 14 mm EF-Objektiv von Canon (Öffnungswinkel 105 Grad, ein 1260 km breites Bild ergeben.

Mit 7 Watt Sendeleistung kann diese Datenmenge in 303 s zu einer 3 m Antenne übertragen werden. Anders als beim Erdbeobachtungssatelliten ist die Datenübertragung also nicht kritisch, man käme mit vielen auf der Erde verteilten 3 m Antennen aus, es müsste da man bei 800 km Höhe mehr als 10 Minuten Kontaktzeit hat nur alle zwei Orbits eine passiert werden, das heißt 7-8 dieser kleinen Antennen würden ausreichen wenn sie gut verteilt sind. Problematisch könnte trotzdem die Abdeckung des Pazifiks sein. Auch problematisch bei vielen Antennen ist die hohe Sendeleistung. Leider habe ich keinen Sender im 1 Watt Bereich gefunden der nicht unter 10 Watt Eingangsleistung benötigt. Der Sprung zu 7 Watt Leistung ist dann gering.

Jeder Cubesat wird so einen 800 km breiten Streifen aufnehmen. Man braucht mindestens 4 Satelliten in leicht verschobenen Orbits um eine globale Abdeckung zu erhalten. Diese wurden eine 12 Stündige Wiederholung der Abbildung erlauben. Will man auf die sonst bevorzugten 6 Stunden als Intervall gehen, so braucht man 8 Satelliten. Etwas problematischer ist die Positionierung. Wegen vier verschiedener Orbitalebenen braucht man mindestens 4 Starts, bei denen jeweils zwei Satelliten transportiert werden. Der zweite muss jedoch um 90 Grad verschoben werden. Das wäre am besten zu lösen wenn die Oberstufe noch etwas Treibstoff hat und auch längere Zeit in Betrieb sein kann (z.B. die Fregat) Dann hebt man den Orbit leicht an, fällt in der Bahn zurück (in 900 km Höhe z.B. um 2 Minuten pro Umlauf, sodass man nach 12,5 Umläufen also etwa einem Tag um 90 Grad hinter dem ersten Satelliten ist. Dann muss der alte Orbit wiederhergestellt werden. Ansonsten eben acht Einzelstarts, was allerdings einige Jahre braucht um die Konstellation aufzubauen.

Dies wäre eine Minimalkonfiguration. Da die Satelliten aber wahrscheinlich preiswert sind (eine Basisaustattung eines Cubesats ohne Experimente soll um die 50.000 Dollar kosten, dazu käme hier noch das Innenleben, rechnet man mit 250.000 Dollar für Satellit und Start, so hat man sicher noch etwas Luft) kann man auch mit mehr Satelliten Multispektralaufnahmen machen. Der Trick ist relativ einfach: Vom Platz und Gewicht her kann man pro Satellit auch zwei Kameras einbauen. Belegt man jeden Chip mit einem Farbfilter und setzt nun mehrere Satelliten ein, so kann man Multispektralaufnahmen bis ins nahe Infrarot machen (CCD sind auch bis 1 Mikrometer, teilweise bis 1,6 Mikrometer Wellenlänge je nach Dotierung) empfindlich. Mit 64 Satelliten hat man z.B. ein Multispektralsystem mit 16 Farbkanälen.

Das wäre wegen der groben Auflösung primär für die Ökologie interessant, also die Überwachung der Vegetationsaktivität oder Algenblüten. Das Konzept wäre sogar für Weltraumagenturen interessant, die so ihre großen Satelliten ergänzen könnten. 16 Dieser Minisatelliten würden 100 kg wiegen und könnten bei einem Start befördert werden. Mit abgestimmten Sendefrequenzen kann eine einzige Antenne Daten aller 16 Satelliten simulatan erfasen.

Ich befürchte nur wenn ESA oder NASA so was angehen kommt was größeres und teureres wie BIRD oder Proba-1 raus. Ohne „off the Shelf“ Komponenten und zwar billig, aber nur verglichen mit anderen Missionen nicht verglichen mit den Kosten von Cubesats. Meine Meinung: mal einige Millionen in ein solches System investieren. Wenn’s klappt hat man eine Ergänzung Meteop. Wenn’s nicht klappt weil die Ausrüstung doch im Weltraum bald kaputtgeht ist man für wenig Geld schlauer geworden.

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