{"id":8563,"date":"2013-09-29T11:18:32","date_gmt":"2013-09-29T09:18:32","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8563"},"modified":"2013-09-29T11:18:32","modified_gmt":"2013-09-29T09:18:32","slug":"cubesats-als-erderkundungssatelliten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/09\/29\/cubesats-als-erderkundungssatelliten\/","title":{"rendered":"Cubesats als Erderkundungssatelliten"},"content":{"rendered":"<p>K&uuml;rzlich las ich von einem Projekt mit dem man mit Cubesats Erdbeobachtung betreibt. Im April wurde mit dem ersten Antares Start <a href=\"http:\/\/space.skyrocket.de\/doc_sdat\/dove-1.htm\">Dove-1<\/a> gestartet. Er stammt von <a href=\"http:\/\/planet-labs.com\/\">Planet Labs Inc.<\/a> Basierend auf der Cubesat 3U Konfiguration (also 3 Units = 10 x 10 x 30 cm Normgr&ouml;&szlig;e) ist es mit 6 kg zwar doppelt so schwer wie normale Cubesats, aber ziemlich Leistungsf&auml;hig. Wie die Abbildung zeigt hat man ein Teleskop l&auml;ngs eingebaut. So umgeht man das Problem, das die 10 cm Breite im Geh&auml;use f&uuml;r ein hochaufl&ouml;sendes Objektiv eigentlich zu kurz sind.<\/p>\n<p>Dove-1 soll Aufnahmen bis zu &#8222;Baumesgr&ouml;&szlig;e&#8220; machen. Das ist nat&uuml;rlich dehnbar. Ein gro&szlig;er Baum kann sicher 20 m breit sein, aber typisch w&auml;ren wohl 6-10 m. Ist das m&ouml;glich? Nun ich habe mich selbst mal mit dem Thema <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2011\/06\/21\/space-for-the-masses-not-for-the-classes-2\/\">besch&auml;ftigt<\/a>. Es gibt da einige Aspekte. Ich will sie mal aufrollen<!--more--><\/p>\n<h3>Stromversorgung<\/h3>\n<p>Bei Cubesats ist die Fl&auml;che auf denen Solarzellen angebracht werden k&ouml;nnen begrenzt. Bei diesem 3U Cubesat sind es maximal 10 x 30 cm. Die TJ Luna Technologie die ATK f&uuml;r die Orion Solararrays entwickelt, hat eine Effizienz von 29%. Damit belegt w&uuml;rden 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.<\/p>\n<p>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 m&uuml;sste man k&uuml;hlen, was definitiv zu viel Aufwand ist. Aber Batterien w&auml;ren f&uuml;r 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 Atmosph&auml;re 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.<\/p>\n<p>Ein 50 g schwerer Akku mit einer energiedichte von 150 Wh\/kg h&auml;tte eine Kapazit&auml;t von 7,5 Wh, nutzt man sie nur zu 50% um ein rasches Erm&uuml;den 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 &uuml;ber die Nachtseite 10 W zu liefern (45 Minuten) oder eben f&uuml;r k&uuml;rzere Zeitr&auml;ume eine h&ouml;here Leistung um z.B. einen Sender zu betreiben. Ein Akku ist also vom Gewicht her kein Problem, eher die Leistung um ihn aufzuladen.<\/p>\n<h3>Daten&uuml;bertragung<\/h3>\n<p>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, h&auml;ngt von Sendeleistung und Empfangsantennen ab. Mittelgro&szlig;e Empfangsantennen f&uuml;r Satelliten haben eine Gr&ouml;&szlig;e von 12 m. Mit 1 Watt Sendeleistung und einem durchschnittlichen Abstand von 1000 km kann man dann auf &uuml;ber 50 Mbit\/s zu einer 12 m Antenne &uuml;bertragen, wenn der Sender eine Rundstrahlantenne ist. Mit kleineren Antennen weniger, doch sie sind preiswerter. 3 m Antennen gibt es schon f&uuml;r 4000 bis 5000 Dollar. Dann sinkt die Datenrate auf 3,2 Mbit\/s ab, Die Datenrate h&auml;ngt nat&uuml;rlich vom Datenvolumen ab, allerdings auch von der Anzahl der Antennen.<\/p>\n<p>Wenn man wie bei konventionellen Satelliten eine oder wenige Empfangsstationen nahe des Nordpols errichtet, wie in Nordnorwegen, Alaska, Gr&ouml;nland, dann w&auml;re eine gro&szlig;e Antenne sinnvoll, sofern der Satellit in einen SSO gelangt, da er dann bei jedem zweiten Umlauf die Station passiert. Bei kleinen Antennen w&auml;re es sinnvoller sehr viele &uuml;berall in der Welt zu haben um mehr Funkkontakte zu haben und bei jedem Daten zu &uuml;bertragen. Die Daten m&uuml;sste man dann zentral zusammenf&uuml;hren. Wenn die Satelliten nicht in einen SSO gelangen ist dies auch die einzige M&ouml;glichkeit.<\/p>\n<p>Da heute selbst milit&auml;rische Satelliten mit JPEG oder weiterentwickelten Verfahren komprimieren (Plejades z.B. um den Faktor 5) sollte man auch so die Bilder &uuml;bertragen.<\/p>\n<h2>optisches System<\/h2>\n<p>Hier gibt es einige Randbedingungen: Aufl&ouml;sung, 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 l&auml;sst dann etwa 6-8 cm f&uuml;r das Objektiv. Ein <a href=\"http:\/\/www.canon.de\/For_Home\/Product_Finder\/Cameras\/EF_Lenses\/Standard_and_Medium_Telephoto\/EF_100mm_f2_USM\/\">Canon EF 100 mm Objektiv<\/a> hat eine L&auml;nge von 7,35 cm und wiegt 460 g. Es k&ouml;nnte also eingesetzt werden. Nimmt man den APS-C Sensor so w&uuml;rde dieses bei 100 mm Brennweite ein Blickfeld von 20 x 14 Grad aufweisen. Das w&auml;ren bei dem Sensor der EOS 70D mit 5472 x 3648 Pixeln eine Aufl&ouml;sung von 13 Bogensekunden. Das sind aus der H&ouml;he der ISS 26 m und aus 800 km H&ouml;he rund 52 m. Die Kantenl&auml;nge eines Fotos betr&uuml;ge dann 139,6 x 93,1 km in der H&ouml;he der ISS sowie 279,3 x 186,2 km aus 800 km H&ouml;he.<\/p>\n<p>Bei 3 Megabit\/s, 8 Bit pro Pixel und Komprimierung 5:1 braucht man 11 s um das Bild zu &uuml;bertragen. W&uuml;rde der Satellit einen kontinuierlichen Streifen von 139,6 km Breite (aus der ISS H&ouml;he) erstellen, so braucht man pro Orbit einen Funkkontakt &uuml;ber 4734 s, also mehr als zwei Dritteln der Umlaufszeit. Dabei ist eine gew&uuml;nschte &Uuml;berlappung der Fotos noch nicht ber&uuml;cksichtigt. Daraus ist klar, dass in erdnahen Orbits keine kontinuierliche Erfassung m&ouml;glich ist wenn man kleine Antennen und eine geringe Sendeleistung einsetzt.<\/p>\n<p>Anders sieht es aus, wenn man ein Teleskop in L&auml;ngsrichtung einbaut. Die Abbildung von Dove-1 suggeriert, das das Teleskop mehr als zwei Drittel der L&auml;nge einnimmt. Geht man von 20 cm L&auml;nge aus, dann kann man bei g&auml;ngigen kompakten Konstruktionen wie Maksutov oder Schmidt-Cassegrain eine Brennweite von fast 1000 mm realisieren. Die 100 mm &#8222;Russentonne&#8220; wiegt 2,3 kg und ist 26 cm lang, das ist etwas zu gro&szlig;. Leider ist das n&auml;chstkleinere serienm&auml;&szlig;ige Modell dann schon das 500 mm Ger&auml;t mit 62,5 cmm &Ouml;ffnung und 78 mm Au&szlig;endurchmesser bei 0.63 kg Gewicht. Doch selbst dieses hat die f&uuml;nffache Brennweite des Canon EFS Objektives.<\/p>\n<p>Anders als bei diesem muss man sich Gedanken um die theoretische Aufl&ouml;sung machen. Mit dem korrigierten Raleight Wert (175\/d anstatt 122\/d) f&uuml;r den gro&szlig;en Fangspiegel resultiert eine Aufl&ouml;sung von 2,8 Bogensekunden. Diese wird bei dieser Brennweite mit 7 Mikrometern gro&szlig;en 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 gro&szlig;en Pixeln dagegen schon. Mit diesem Teleskop kommt man auf Bildgr&ouml;&szlig;en von 4,13 x 2,75 Grad. Das sind aus ISS H&ouml;he (400 km) 6 m Aufl&ouml;sung und 28,84 x 19,22 km Bildgr&ouml;&szlig;e. In 800 km H&ouml;he in etwa das doppelte. Das passt sehr gut zu den Daten von Dove-1, der noch dazu mit 250 km Bahnh&ouml;he n&auml;her der Erde war.<\/p>\n<h3>Belichtungszeit<\/h3>\n<p>Ohne Nachf&uuml;hrung muss die Belichtungszeit kleiner sein als der Durchmesser eines Pixels am Erdboden, den der Satellit am Erdboden w&auml;hrend der Belichtungszeit zur&uuml;cklegt. Nimmt man damit man keine verschmierten Aufnahmen hat die halbe Gr&ouml;&szlig;e eines Pixels an, so w&auml;re beim EF-55 Objektiv in 400 km H&ouml;he die maximale Belichtungszeit &lt;1\/500 s (Blende 2) und beim Maksutov &lt; 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 f&uuml;hren, dass man doch nicht die h&ouml;chste Aufl&ouml;sung anstrebt. Geht man mit der Pixelgr&ouml;&szlig;e herauf, so steigt zum einen die Belichtungszeit an, und zum anderen hat man eine gr&ouml;&szlig;ere Sammelfl&auml;che, der Chip ist also dann lichtempfindlicher. Bei 10 Mikrometern Kantenl&auml;nge ist die Belichtungszeit um 35% h&ouml;her und die lichtsammelnde Fl&auml;che um 82% h&ouml;her als bei 7,4 Mikrometern. In der Summe erh&auml;lt ein Pixel so 146% mehr Photonen.<\/p>\n<p>Auf der anderen Siete hat die Kamera LORRI von New Horizons bei Blende 13 mit 13 Mikrometern gro&szlig;en Pixeln bei Jupiter eine Belichtungszeit von nur 1\/333 s. Rechnet man dies auf 7,4 Mikrometern hoch und die 5,2-fach n&auml;here 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 Aufl&ouml;sung) 1\/666 s. Allerdings bei F\/20 und 13 Mikrometern gro&szlig;0en Pixeln. Bei F\/2 und 7,4 Mikrometern sind dies 1\/20000 s.<\/p>\n<h3>Stabilisierung<\/h3>\n<p>Eine Frage ist wie man den Satelliten stabilisiert. Schlie&szlig;lich soll das Teleskop zum Boden schauen. Man darf nicht davon ausgehen, dass er vor dem Abtrennen gerade so ausgerichtet wurde und wenn, dann k&ouml;nnen in St&ouml;reinfl&uuml;sse drehen. Es gibt drei M&ouml;glichkeiten. Da ist zum einen die Gravitationsgradientenstabilisierung &#8211; 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.<\/p>\n<p>In niedrigen Umlaufbahnen kann man durch die Form Einfluss nehmen. Das zeigt heute der Satellit GOCE, fr&uuml;her die Satelliten des Corona\/Gambit Systems. Ausklappbare Solarzellenausleger an der Seite oder nur ein Metallblech w&uuml;rden dann daf&uuml;r sorgen, dass das Teleskop korrekt ausgerichtet ist.<\/p>\n<p>Universtell nutzbar ist die Stabilisierung mittels des Erdmagnetfeldes. Bei dieser Gr&ouml;&szlig;e 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 &auml;lteren Erdbeobachtungssatelliten eingesetzt.<\/p>\n<h3>Bahn<\/h3>\n<p>Klassische Cubesats werden als Piggybacknutzlast nahe der Erde ausgesetzt und arbeiten nur einige Wochen lang. Neben der l&auml;ngeren Betriebsdauer gibt es weitere Gr&uuml;nde die Satelliten m&ouml;glichst hoch, und m&ouml;glichst als Sekund&auml;rnutzlast bei sonnensynchronen Missionen auszusetzen:<\/p>\n<p>Eine Bahn in 800 x 600 km H&ouml;he vergr&ouml;&szlig;ert das pro Satellit abgedeckte Gebiet &#8211; wichtig wenn man eine globale Abdeckung haben will.<\/p>\n<p>Der Bereich in dem eine Empfangsstation Kontakt mit ihm hat wird gr&ouml;&szlig;er, die Zeit steigt ebenfalls deutlich an. Bei einer sonnensynchronen Bahn gibt es zudem die M&ouml;glichkeit dann gro&szlig;e polnahe Empfangsstationen einzusetzen und die Daten mit hoher Geschwindigkeit abzurufen.<\/p>\n<p>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 &uuml;bertragen was &uuml;ber 1200 Aufnahmen (2,7 Millionen km\u00b2 bei 12 m Aufl&ouml;sung) entsprechen. Es bleibt dann 1 Minute um die Antenne zum n&auml;chsten Satelliten zu drehen. Bei 14 Uml&auml;ufen pro Tag w&uuml;rden die Satelliten die gesamte Erdoberfl&auml;che ablichten k&ouml;nnen (340 Millionen km\u00b2, die gesamte betr&auml;gt 513 Millionen km\u00b2, doch einschlie&szlig;lich der Ozeane).<\/p>\n<p>Bei niedrigeren Bahnen hat man keine Chance alle Daten zu &uuml;bertragen, da die Kontaktzeit sinkt, die Bildgr&ouml;&szlig;e aber auch. Zudem wird in 400 km H&ouml;he der Satellit nur einige Jahre lang im Orbit sein, in noch niedrigeren Bahnen nur Wochen doer Monate.<\/p>\n<h3>Zusammenfassung<\/h3>\n<p>Es w&auml;re vom technischen Standpunkt aus kein Problem mit Cubesats tats&auml;chlich Aufl&ouml;sungen zu erreichen die h&ouml;her sidn als bei den ersten Erderkundungssatelliten des Landsatsystems. Das erstaunt, doch gibt es schon einige etwas gr&ouml;&szlig;ere Satelliten (im 100 kg Bereich) die Aufnahmen im Bereich von 1-5 m Aufl&ouml;sung anfertigen wie z.B. Rapideye<\/p>\n<p>Bei allem muss man allerdings an das geringe Gewicht denken. Die Elektronik ist kein Problem. Ein Microcontroller mit einer SD-Karte w&auml;re ausreichend f&uuml;r die Datenkompresssion und Ablage. Schon ein Raspberry Pi w&auml;re damit weit unterfordert. Ein PIC Mikroprozessor wohl ausreichend. Das aufwendigste ist die Datenkompression. F&uuml;r 18 MPixel hat man maximal 10 s Zeit. Doch daf&uuml;r gibt es heute spezielle Coprozessoren. Das Messprogramm w&auml;re ohne M&ouml;glkichkeit der Drehung wohl sehr einfach:<\/p>\n<ul>\n<li>Von der Nachtseite her kommend: Hochfahren der Systeme<\/li>\n<li>Aufnahme machen, komprimieren<\/li>\n<li>10 s sp&auml;ter n&auml;chste Aufnahme machen<\/li>\n<li>Parallel warten auf stabiles Signal mit Code &#8222;Daten &uuml;bertragen&#8220;<\/li>\n<li>Solange Signal vorhanden ist Daten &uuml;bertragen.<\/li>\n<li>Das L&ouml;schen von schon &uuml;bertragenen und als fehlerfrei erkannten Aufnahmen kann man dann durch ein Bodenkommando veranlassen.<\/li>\n<li>Sobald Stromausbeute der Solarzellen sinkt Systeme herunterfaheren<\/li>\n<\/ul>\n<p>Dabei w&auml;re 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 m&uuml;ssten alle vier L&auml;ngsseiten bedecken und w&auml;ren so schwerer als unbedingt n&ouml;tig. Der Sender k&ouml;nnte ein kleineres Problem sein. Beim Suchen was ein 1 Watt Sender f&uuml;r eine Gr&ouml;&szlig;e, 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 gr&ouml;&szlig;eren Sendern in Raumsonden rechnet man mit 30-50% der Eingangsleistung als Sendeleistung. Bei h&ouml;heren 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 Gr&ouml;&szlig;e 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 oberfl&auml;chlichen ebay Suche.<\/p>\n<p>Eine etwas gr&ouml;&szlig;ere Plattform wie eine 6U Einheit (20 x 10 x 30 cm) oder eine 8U Einheit (20 x 20 x 20 cm) g&auml;ben deutlich mehr Spielraum. Mit drei Einheiten und 6 kg Gewicht ist das Konzept umsetzbar, aber nur gerade noch.<\/p>\n<p>Dann soll heute zwischen 16 und 18 Uhr GMT, das d&uuml;rften wenn ich richtig rechne 18 bis 20 UHR MESZ sein, die Falcon 9 zweite Version starten. Falls sie mal nicht wieder verschieben. Sowohl Probez&uuml;ndung wie auch Tests der ersten Stufen waren ja erst nach vier bzw. zwei Anl&auml;ufen erfolgreich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>K&uuml;rzlich las ich von einem Projekt mit dem man mit Cubesats Erdbeobachtung betreibt. 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