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|title=Prototypen-Mission für die Erstellung von 3D Wolkenh6ouml;henkarten - Kleinstsatelliten f6uuml;r Erdbeobachtung
(Prototype Mission for the Creation of 3D Cloud Elevation Maps - Miniature Satellites for Earth Observation)
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==Prototypen-Mission für die Erstellung von 3D Wolkenh6ouml;henkarten - Kleinstsatelliten f6uuml;r Erdbeobachtung
(Prototype Mission for the Creation of 3D Cloud Elevation Maps - Miniature Satellites for Earth Observation)==
https://ceur-ws.org/Vol-2197/paper13.pdf
Tagungsband UIS 2018
Beitrag M: Anna Aumann, Iurii Motroniuk, Ilham Mammadov, Julian
Scharnagl, Klaus Schilling
Prototypen-Mission für die Erstellung von 3D
Wolkenhöhenkarten - Kleinstsatelliten für Erdbeobachtung
Prototype Mission for the Creation of 3D Cloud Elevation
Maps - Miniature Satellites for Earth Observation
Anna Aumann1, Iurii Motroniuk2, Ilham Mammadov3, Julian Scharnagl4 , Klaus
Schilling5 ,
1
Zentrum für Telematik e.V., a.aumann@telematik-zentrum.de
2
Zentrum für Telematik e.V., i.motroniuk@telematik-zentrum.de
3
Zentrum für Telematik e.V., i.mammadov@telematik-zentrum.de
4
Zentrum für Telematik e.V., j.scharnagel@telematik-zentrum.de
5
Zentrum für Telematik e.V., k.schilling@telematik-zentrum.de
Abstract
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 high-
precise 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.
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Tagungsband UIS 2018
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.
1 Einführung
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 würfel-
förmiger Satellit mit einer Kantenlänge von 10cm, der zunächst bei der Ausbildung von
Raumfahrt-Studenten in den USA eingesetzt wurde [SpaceDaily 2016]. Durch die
Entwicklung mehrerer Startmöglichkeiten für solche Satelliten (u.a. über die
Internatione Raumstation oder spezielle „Deployer“) wuchs auch das Interesse im
Forschungs- und kommerziellen Bereich. Der erste deutsche Pico-Satellit UWE
(Universität Würzburg Experimentalsatellit) wurde von Prof. Klaus Schilling und
seinem Team entwickelt und ist 2005 gestartet [Barza et al. 2006]. Ein weiterer
besonderer Erfolg ist UWE-3, der durch sein modulares und redundantes Design
bereits mehrere Jahre im Orbit aktiv ist [Bangert et al. 2015]. Derzeit wird an UWE-4
gearbeitet, der ein elektrisches Antriebssystem demonstrieren wird [Bangert et al.
2017].
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Mit der Zeit verlagerte sich das Interesse auf die größeren 3U-CubeSats, mit
Dimensionen von 10 x 10 x 30 cm. Mit dieser Satellitengröße gab es auch die ersten
großen kommerziellen Erfolge.
Die Möglichkeiten, Nano-Satelliten im Bereich der Erdbeobachtung einzusetzen,
wurden bereits vor einigen Jahren untersucht [Selva & Krejci 2012]. Laut dieser
Veröffentlichung sind unter anderem folgende Instrumente für Erdbeobachtung im
Nano-Satellitenbereich machbar oder bereits realisiert: Sonden für Atmosphären-
Temperatur und -Feuchtigkeit, Radiometer zur Bestimmung des Strahlungshaushalts
der Erde, Gravitationsmessgeräte, Imager zur Erfassung von Blitzen,
Magnetfeldmessgeräte sowie Messgeräte zur Bestimmung der Farbe der Ozeane.
Jedoch sind mittlerweile auch multi-spektrale Instrumente für Nano-Satelliten in der
Entwicklung. Erhältliche optische Kameras erlauben Bodenauflösungen zwischen 30
und 50 m, mit Sonderanpassungen sind Auflösungen im Bereich weniger Meter
möglich. So erreicht die kommerzielle Nano-Satelliten Konstellation von Planet eine
Auflösung von 3 m [Boshuizen et al. 2014].
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].
2 Photogrammetrie
Photogrammetrische Methoden erlauben die Rekonstruktion von Position,
Orientierung, Form und Größe von Objekten anhand von photographischen
Aufnahmen [Kraus 2007]. Die photogrammetrischen Methode, die zur
Wolkenhöhenbestimmung in TOM eingesetzt wird, wurde bereits an Aufnahmen des
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Sarychev Peak Vulkanausbruchs im Jahr 2009, die von der Internationalen
Raumstation ISS getätigt wurden, demonstriert [Zakšek et al. 2018]. Dabei wird
beispielsweise Structure-from-Motion Software verwendet, um die 3-D Form der
Aschewolke aus gleichzeitig oder kurz aufeinander folgenden Aufnahmen zu
rekonstruieren.
Abbildung 1: Das Prinzip stereoskopischer Messungen, aus [Kraus 2007, S. 297]
Die Photogrammetrie bedient sich dabei der Grundsätze der Stereoskopie: Ein Objekt,
das von zwei Kameras aufgenommen wird, erscheint auf den Aufnahmen aufgrund der
Perspektive an unterschiedlichen Stellen. Durch Messung des Unterschieds (der
sogenannten Parallaxe), die unter anderem vom Abstand zwischen beiden Kameras
abhängt, kann die Höhe des Objekts bestimmt werden. Das Prinzip ist auch auf
Abbildung dargestellt. Das Modell und die Höhenkarte, die aus den Sarychev
Aufnahmen erstellt wurden ist in Abbildung dargestellt.
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.
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3 Telematics earth Observation Mission
Die Telematics earth Observation Mission (im Weiteren TOM) ist eine deutsche Nano-
Satelliten Mission, die durch die Partner Zentrum für Telematik e.V., Julius-
Maximilians-Universität Würzburg, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) sowie die Technische Universität München (TUM) realisiert wird [Schilling et al.
2017]. Ziel der Mission ist die Demonstration von photogrammetrischen
Vermessungen, z.B. von (Vulkanasche-) Wolken, durch eine Formation dreier gleicher
Satelliten. Eine künstlerische Interpretation ist in Abbildung dargestellt.
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 Orbit-
Regelungssystem 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
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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 [Schilling
2017].
4 Missionsplanung
Dieser Abschnitt soll einen kleinen Einblick in die Planung von Nano-
Satellitenmissionen 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 Orbit-
Regelungssystem 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
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Beschränkungen zu berücksichtigen. Das vorläufige Design eines TOM Satelliten mit
den Subsystemen Antrieb, Lageregelungssystem, On-Board Computer,
Energiesystem, Kommunikationssystem sowie Nutzlast (von unten nach oben) ist
unten in Abbildung zu sehen. Erkennbar ist, dass bei einem Satelliten mit
Antriebsystem etwa 1U für die Nutzlast verfügbar sind.
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 Nano-
Satellit 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
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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 Satelliten
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 UNISEC Standard für eine elektrische Subsystem-
Schnittstelle [Unisec]. Durch den UNISEC Standard wird nicht nur die Sicherheit des
Satelliten weiter erhöht, sondern auch das Testen und die Integration stark erleichtert.
5 Zusammenfassung
Dieser Beitrag hat die Prototypen-Mission TOM als Beispiel für eine Nano-
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 Danksagung
Die Autoren danken all ihren Mitarbeitern für ihre Beiträge im Rahmen der „Telematics
earth Observation Mission – TOM“, unterstützt durch das bayerische
Wirtschaftsministerium sowie dem RLS für die Kooperation in TIM.
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