Proof of Concept for a Small Satellite Communication System using a fully integrated Telemetry and Telecommand Unit Approach

Ausgangssituation

Im Rahmen der IEEE MTT-Sat Challenge untersucht die SmallSatGroup der Universität Bremen in diesem Projekt den Ansatz einer voll integrierten Telemetrie- und Telekommandoeinheit (TMTC) für die Kommunikation von Raumfahrzeugen auf einer Software-Defined Radio (SDR) Architektur welche mit moderner System-On-Chip (SoC)-Technologie und modernsten Front-End-Geräten entworfen wird. Der angestrebte Ansatz erlaubt somit eine bedarfsgerechte Neukonfiguration der Datenverarbeitung (z.B. Auswahl verschiedener Modulationsschemata oder Codierungsverfahren) sowie HF-Spezifikationen wie Frequenzbandauswahl oder Abtastratenanpassung. Diese Schlüsseltechnologien ermöglichen eine hochintegrierte Hardwarearchitektur, die auch für kleine Satellitenmissionen, z.B. für kostengünstige Cubesat-Projekte, geeignet ist.

Die SmallSatGroup der Universität Bremen ist eine Gruppe von Studierenden der Masterstudiengänge "Raumfahrtwissenschaften und -technologien", "Raumfahrttechnik" oder "Elektrotechnik und Informationstechnik" und wird von Mitgliedern des Arbeitsbereichs Nachrichtentechnik und DLR-Instituts für Raumfahrtsysteme geleitet. Ziel dieser Gruppe ist es, Techniken für die zukünftige Satellitenkommunikation auf Kleinsatelliten zu untersuchen.

Problemstellung

In den vergangenen Jahrzehnten war die Kommunikation in der Raumfahrt konservativ, was die Art der verwendeten Architekturen angeht. Die Notwendigkeit, sich auf etablierte Methoden zu verlassen, ergibt sich aus der Notwendigkeit der Zuverlässigkeit der Hardware, die in den rauen Umgebungen des Weltraums verwendet wird. Dies hat die potenziell erreichbaren Leistungs- und Effizienzniveaus gebremst. Ein Beispiel für die digitale Signalverarbeitung: Die Verwendung eines System-on-Chip (SoC), das einige FPGA-Fabrics und hochleistungsfähige digitale Signalprozessor-Designs umfasst, würde ein höheres Maß an Datenverarbeitungsintegration in einem Gerät ermöglichen und könnte die Leistung und Effizienz solcher Systeme radikal steigern. Die Übertragung dieser SoC-Technologie auf Raumfahrtanwendungen wie das TMTC von Raumfahrzeug-Kommunikationssystemen wurde als "Game Changer" identifiziert und könnte enorme Vorteile in Bezug auf die Leistungssteigerung bringen und auch mehr Flexibilität ermöglichen, z.B. für die Möglichkeit der Rekonfiguration im Orbit. Mit der SoC-Hardware kann eine Vielzahl von Anwendungen mit dem Vorteil einer sehr flexiblen und kosteneffizienten Implementierung realisiert werden.

Zielsetzung und Beitrag

Wie die meisten anderen Aspekte eines Satelliten sollten auch die Kommunikation und das Datenhandling bestimmten Standards entsprechen. Das Beratungskomitee für Weltraumdatensysteme (CCSDS) ist die Institution, die diese Standards bereitstellt, die niedrigere Betriebskosten und Risiken gewährleisten und gleichzeitig innovative Fähigkeiten unterstützen. Daher werden wir die kommunikationsbezogenen Spezifikationen des CCSDS für die Gestaltung der Verbindungen zwischen Boden und Weltraum berücksichtigen. Für ein traditionelles Kommunikationssubsystem an Bord eines Raumfahrzeugs liegen die Anforderungen hauptsächlich im Bereich der Signalverarbeitung in der physikalischen Schicht des Open System Interconnection (ISO/OSI) Modells. Insbesondere sind Funktionen wie Analog-Digital-Wandlung, Digital-Analog-Wandlung, Modulation/Demodulation, Hochfrequenz (HF)-bezogene Verarbeitung (z.B. Filterung, Verstärkung, Up-Down-Wandlung) von Bedeutung. Andere Schritte des Prozesses werden auf dem Bordcomputer und dem Datenverarbeitungs-Subsystem ausgeführt.

Die vorgeschlagene TMTC-Anwendung in Kombination mit modernster SoC-Technologie und flexiblen Front-End-Bausteinen verspricht große Vorteile insbesondere im wachsenden Markt der Kleinsatelliten:

  • Das integrierte Design eines solchen Radios ermöglicht die Integration in die meisten Kleinsatelliten-Raumfahrzeuge und bietet gleichzeitig die Vorteile einer bedarfsgerechten Rekonfiguration des Kommunikationssystems. Man kann mehrere Anwendungsfälle ableiten, in denen dies von Vorteil sein kann, z. B. Satelliten mit mehreren Anwendungen und mehr als einer Kommunikationsverbindung oder mehrere funkbasierte Experimente auf einem einzigen Raumfahrzeug. In jedem Fall führen die Vorteile zu einer Kostenreduzierung und einer Verkürzung der Entwicklungszeit bis zur Anwendung.
  • Mit besonderem Fokus auf die vorgeschlagene TMTC-Anwendung liegen die Vorteile in der flexiblen Auswahl in einem breiten Spektrum von Frequenzbändern, der Anpassung an neue Kodierungs- und Modulationsschemata. Dies könnte z.B. eine schnelle Anpassung an neue Kommunikationsstandards oder -technologien oder die Kommunikation mit verschiedenen Bodenstationen oder Satelliten mit schneller Umkonfiguration auf deren erforderliche Kommunikationsschemata ermöglichen.
  • Die häufigsten Gründe für den Neustart von Satelliten sind Treibstoffmangel, Schäden am Solarpanel oder an der Hardware, Alterung, etc. Dies führt zu einer großen Menge an Weltraummüll in Form von mehr nicht funktionierenden Satelliten. Die Notwendigkeit, die Auswirkungen des über die Jahre angesammelten Weltraummülls zu mildern, führt dazu, dass wir uns Reparatur-, Wiederverwendungs- und Wiederherstellungsdiensten in der Umlaufbahn zuwenden, die weitgehend auf der Konfigurierbarkeit von Subsystemen beruhen. Eine rekonfigurierbare Plattform wie das integrierte TMTC könnte einem Wartungssatelliten helfen, mit verschiedenen Typen von bestehenden Satelliten zu kommunizieren, die gewartet werden müssen.

Details

Laufzeit: 11/2020 - 07/2021
Förderung:IEEE Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S)
Partner:Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Raumfahrtsysteme
Vorgänger:A novel design approach for small satellite communication with a fully integrated telemetry and telecommand unit compliant for CCSDS spacecraft communication

Beteiligte Mitarbeiter

Zuletzt aktualisiert am 15.02.2021 von D. Wübben
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