Since the introduction of CubeSats in the beginning of this millennial, nanosatellites (satellites up to a mass of 10 kg) have developed from an education tool to a low-priced, but still capable alternative to expensive earth observation satellites, especially in the case of optical instruments. Commercial nano-satellite operators have demonstrated ground resolutions up to 3m using 3U satellites which are 10 x 10 x 30 cm in dimensions. With the development of highprecise attitude and orbit control, formations of nano-satellites can deliver three-dimensional earth observation data products on-demand using photogrammetric methods to process synchronously captured images. Currently, the Zentrum für Telematik e.V. is preparing a prototype mission (the Telematics earth Observation Mission TOM) which is going to launch in 2020. The TOM satellites will demonstrate 3D cloud mapping using photogrammetric measurements. This contribution introduces nano-satellites and describes TOM as an example mission for earth observation. Furthermore, the typical procedure of a nano-satellite mission is presented.
Zusammenfassung Seit der Einführung von CubeSats Anfang dieses Jahrtausends haben sich Nanosatelliten (mit einer Masse bis zu 10 kg) von einem Hilfsmittel in der Ausbildung zu einer günstigen, aber dennoch sehr fähigen Alternative zu teuren Erdbeobachtungssatelliten entwickelt, insbesondere im Fall von optischen Instrumenten. Kommerzielle Nanosatelliten-Betreiber haben Bodenauflösungen von bis zu 3m demonstriert, bei 3U Satelliten mit Dimensionen von 10 x 10 x 30 cm. Durch die Entwicklung von hoch-präziser Lage- und Orbit-Regelung können Formationen von Nanosatelliten dreidimensionale Erdbeobachtungsdatenprodukte, die durch die photogrammetrische Weiterverarbeitung von gleichzeitig aufgenommenen Bildern entstanden sind, auf Abruf bereitstellen. Zurzeit bereitet das Zentrum für Telematik e.V. eine Prototypenmission (die Telematics earth Observation Mission TOM) vor, die 2020 gestartet werden soll. Die TOM Satelliten werden die Verwendung photogrammetrischer Messungen demonstrieren, um die Höhe von (vulkanischen Asche-) Wolken zu bestimmen. Dieser Beitrag führt Nano-Satelliten ein und beschreibt TOM als Beispielmission. Außerdem wird das typische Vorgehen bei einer Nano-Satellitenmission erläutert.
Nano-Satelliten sind Kleinstsatelliten mit einer Masse bis zu 10kg. Eine Unterklasse
sind Pico-Satelliten, die bis zu 1kg schwer sind. Pico-Satelliten wurden durch die
Einführung der sogenannten CubeSats Anfang des Jahrtausends zunächst im
universitären Bereich bekannt. Ein CubeSat ist, wie der Name schon sagt, ein
würfelförmiger Satellit mit einer Kantenlänge von 10cm, der zunächst bei der Ausbildung von
Raumfahrt-Studenten in den USA eingesetzt wurde [
Die Möglichkeiten, Nano-Satelliten im Bereich der Erdbeobachtung einzusetzen,
wurden bereits vor einigen Jahren untersucht [
Mithilfe von Formationen und verteilten Satellitensystemen eröffnen sich weitere Möglichkeiten für die Verwendung von Nano-Satelliten. Anstelle der Verwendung mehrerer Instrumente auf einem sehr großen, sehr komplexen und dadurch fehleranfälligen Satelliten, ist es möglich, die Instrumente auf mehreren kleineren Satelliten zu verteilen. So bleibt der Vorteil der gleichzeitigen Erfassung unterschiedlicher Messdaten für ein direktives Ziel erhalten, der Missionserfolg ist jedoch nicht mehr von einem einzigen Raumfahrzeug abhängig. Wie im Beispiel von TOM sichtbar, kann die Verwendung einer Formation sogar die Methode unterstützen, mithilfe derer die Messungen weiterverarbeitet werden. Satelliten, die in einer Formation fliegen, sind in der Lage, ihre relative Position und Orientierung mit hoher Genauigkeit zu regeln [Alfriend et al. 2010].
Photogrammetrische Methoden erlauben die Rekonstruktion von Position,
Orientierung, Form und Größe von Objekten anhand von photographischen
Aufnahmen [
Abbildung 1: Das Prinzip stereoskopischer Messungen, aus [
Abbildung 2: Das Originalbild des Sarychev Peak Ausbruchs (links), sowie das Modell der Aschewolke (Mitte) und die erstellte Höhenkarte (rechts). Das Modell ist online unter https://skfb.ly/SN8J erreichbar.
Die Telematics earth Observation Mission (im Weiteren TOM) ist eine deutsche
NanoSatelliten Mission, die durch die Partner Zentrum für Telematik e.V.,
JuliusMaximilians-Universität Würzburg, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) sowie die Technische Universität München (TUM) realisiert wird [
Abbildung 3: Eine künstlerische Interpretation von TOM: die drei Satelliten vermessen die sichtbare
Aschewolke Jeder der Satelliten ist mit einer Kamera sowie einem präzisen Lage- und OrbitRegelungssystem ausgestattet. Das Orbitregelungssystem erlaubt das Einhalten und die Manipulation der Satellitenformation. Da die geometrische Verteilung der Satelliten die photogrammetrische Genauigkeit beeinflusst, kann so ein wichtiger Parameter eingestellt werden. Das Lage-Regelungssystem wird zusätzlich mit Informationen aus den Aufnahmen gespeist, um die Lage-Regelung und damit die Genauigkeit der Beobachtung zu verbessern.
Die drei TOM Satelliten werden mit demselben Träger gestartet. Nach dem Auswurf beginnen die Satelliten mit der Initialisierung ihrer Formation. Die Beobachtungen können angesetzt werden, sobald diese Initialisierung beendet ist. Nach Festlegung eines Beobachtungssziels wird dieses allen Satelliten bekannt gemacht. Die Satelliten beginnen ihre Ausrichtung auf das Ziel autonom. Sobald die Beobachtung stabil ist, tauschen die Satelliten untereinander Daten aus, um ihre Lage so zu optimieren, dass der gemeinsam beobachtete Auschnitt maximal ist. Die Aufnahmen werden beim nächsten Bodenkontakt zur Erde gesendet und dort gemeinsam weiterverarbeitet, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.
TOM ist Teil der Telematics International Mission TIM. Im Rahmen von TIM tragen
internationale Partner weitere Satelliten oder Bestandteile der Mission (z.B. den
gemeinsamen Start der Satelliten sowie die notwendigen Qualifikationstests) bei.
Derzeit sind insgesamt 9 weitere Satelliten geplant, die die TOM Formation ergänzen
werden, um das Anwendungsgebiet durch weitere Sensoren zu erweitern [
Dieser Abschnitt soll einen kleinen Einblick in die Planung von NanoSatellitenmissionen geben. Eine Nano-Satelliten Mission beginnt wie jede andere Satellitenmission zunächst mit einer Machbarkeitsstudie, in der ein erstes, vorläufiges Gesamtsystem entworfen wird. Zur Mission gehören nicht nur der bzw. die Satelliten, sondern auch das Bodenstationsnetzwerk sowie der Missionsbetrieb. Die Anzahl und die Verteilung der Satelliten im Orbit (z.B. von Formationen) hängt vom Missionsziel ab und wird durch Analysen und Simulationen optimiert, um die gewünschte zeitliche und räumliche Auflösung zu gewährleisten.
Nano-Satelliten begrenzen insbesondere durch ihre Dimensionen aber auch durch die verfügbare Energie die mögliche Nutzlast. Je nach Nutzlast vergrößert sich daher der Satellit. Je nach Komplexität dauert die Entwicklung eines Nanosatelliten bei vorhandener Nutzlast in etwa ein Jahr. Die anschließend notwendigen Umwelt-Tests wurden hierbei noch nicht dazu gezählt.
Die Nutzlast bestimmt das Satelliten-Design: Je nach anfallender Datenmenge wird die notwendige Kommunikationsverbindung gewählt. Das Lage- und OrbitRegelungssystem ist abhängig von den notwendigen Genauigkeiten bei der Datenerfassung. Beides hat Auswirkungen auf den Energieverbrauch des Satelliten. Bei der Entwicklung einer Nutzlast ist es daher bereits sinnvoll, gewisse
Abbildung 4: Das vorläufige Design der TOM Satelliten Die Dauer einer Satellitenmission ist zum einen durch die gewählte Orbithöhe und zum anderen durch die verwendeten Komponenten beschränkt. Bei einer niedrigen Orbithöhe beträgt die Dauer einer Mission ohne Orbitkorrekturen aufgrund der auftretenden Störungen nur wenige Monate. Bei höheren Orbits besteht die Gefahr, dass die elektronischen Bauteile aufgrund der Strahlung Defekte erhalten. Solche Defekte können aber durch entsprechende Redundanzen verringert werden. Der Start der Satelliten ist einer der kritischsten Bausteine einer Satellitenmission, nicht nur aufgrund der relativ hohen Kosten. Ist der gewünschte Orbit flexibel, so ist es möglich gemeinsam mit anderen Nano-Satellien zu einem vergleichsweise geringen Preis zu starten. Wird ein besonderer Orbit benötigt, so werden die Wartezeiten länger und der Preis höher. Eine Möglichkeit ist der „Piggy Back“ Flug, bei dem der NanoSatellit beim Start eines größeren Satelliten dabei ist.
Nach dem Start besteht der Kontakt zum Satelliten nur noch über Bodenstationen. Bodenstationen können extra für eine Mission errichtet werden, alternativ können 184 bestehende Netzwerke gegen Gebühr verwendet werden. Der Missionsbetrieb plant die Aufgaben der Satelliten und ist für das Erreichen des Missionsziel unersetzlich. Bei auftretenden Fehlern kann das Team, zu dem oft einer der Entwicklungs-Ingenierue zählt, direkt reagieren. Zusätzliche Software-Lösungen, die auf dem
implementiert sind, helfen bei der Vermeidung vom Misserfolg der Mission. Das Zentrum für Telematik e.V. entwickelt in enger Zusammenarbeit mit der Universität Würzburg den
5
Dieser Beitrag hat die
als Beispiel für eine
Satellitenmission zur Erdbeobachtung sowie die übliche Vorgehensweise bei der Planung einer solchen Mission erläutert. Kleinstsatelliten bieten den Vorteil einer schnellen Entwicklung unter der Berücksichtigung der Einschränkungen von Größe und verfügbarer Energie. Missionen wie TOM, sowie die internationale Mission TIM, zeigen jedoch, dass Nano-Satelliten insbesondere in Multi-Satellitenmissionen zur Erdbeobachtung geeignet sind. 6
Die Autoren danken all ihren Mitarbeitern für ihre Beiträge im Rahmen der „Telematics earth
Observation
–
TOM“, unterstützt durch das bayerische Wirtschaftsministerium sowie dem RLS für die Kooperation in TIM. 7
Alfriend, K. T.; Vadali S. R.; Gurfil P.; How J. P.; Breger, L. S. (2010): Spacecraft Formation
Flying. Dynamics, Control and Navigation, Elsevier Astrodynamics.
Bangert, P.; Busch, S.; Schilling, K. (2015): In-Orbit Performance of the Pico-Satellite UWE3. 10th IAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation, Berlin.
CubeSat. (abgerufen am
Electrical Interface,