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: