Technische Universität Berlin
© Tobias Rosenberg

Von Berlin ins All: die Satellitenmission SALSAT

Ein Satellit der TU Berlin reist in den Orbit. Ziel der Mission: Funkfrequenzen nachhaltig nutzbar machen

Immer mehr Satellitenstarts wurden in den letzten Jahren im Bereich der zivilen Raumfahrt gezählt. Tendenz steigend. Neueste Beispiele sind sogenannte Mega-Constellations wie Starlink von SpaceX oder Project Kuiper von Amazon, bestehend aus Hunderten oder sogar Tausenden Kleinsatelliten. Um die gleichzeitige Kommunikation mit diesen und allen anderen im Orbit befindlichen Satelliten sicherzustellen, wird eine Vielzahl an unterschiedlichen Funkfrequenzen benötigt, aber das Funkspektrum ist eine limitierte Ressource.

Hier setzt die Nanosatellitenmission SALSAT (Spectrum AnaLysis SATellite) an. Im Rahmen des Forschungsvorhabens, das am Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin angesiedelt ist, soll die reale Auslastung des Funkspektrums direkt im Orbit ermittelt werden. Ziel ist, einen Beitrag zur effizienten und nachhaltigen Nutzung des Funkspektrums zu leisten. Nach zwei Jahren intensiver Entwicklungszeit ist am 28. September 2020 um 13:20 Uhr mitteleuropäischer Zeit nun eine Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Plessezk im Nordwesten Russlands mit SALSAT an Bord erfolgreich gestartet.

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Funkspektrum nachhaltiger nutzen

Um Aussagen über die reale Auslastung des Funkspektrums treffen zu können, wurde der Spektrumanalyzer SALSA auf Basis eines Software Defined Radio (SDR) entwickelt. Dieser soll an Bord des Nanosatelliten für mindestens ein Jahr die weltweite Frequenznutzung im VHF, UHF und S-Band analysieren. Die Frequenzen werden vor allem im Bereich des Amateurfunks und für wissenschaftliche Satellitenmissionen genutzt. Es soll festgestellt werden, ob und an welchen Orten vorhandene Frequenzen mehrfach belegt werden können, um das Funkspektrum nachhaltiger zu nutzen. Zusätzlich sollen Interferenzen und Störer in den Bändern detektiert und lokalisiert werden.

SALSAT ist auch mit einer Kamera und einem Linux-basierten Prozessierungssystem ausgestattet. Auf diesem ist eine On-Board-Verarbeitung der Spektraldaten möglich, die mittels eines kompakten und experimentellen neuronalen Netzes demonstriert werden soll. Zudem ist ein neuartiges, drei-achsiges Lageregelungssystem mit sogenannten fluiddynamischen Aktuatoren aus einem weiteren Forschungsprojekt integriert. Das bisher einmalige, patentierte System soll zeigen, dass eine im Vergleich zu Reaktionsrädern langlebigere und verschleißfreie Lageregelung des Satelliten mithilfe einer magnetischen Flüssigkeit möglich ist.

Gesammelte Spektraldaten frei zugänglich

Die während der Betriebsphase gesammelten wissenschaftlichen Spektraldaten werden frei zugänglich auf einer Internetplattform zur Verfügung gestellt. Internationalen Wissenschaftlern, Studiengruppen, Amateurfunkern und auch Interessierten wird hiermit die Untersuchung und Optimierung der analysierten Frequenzbänder ermöglicht. SALSAT liefert somit einen wichtigen Beitrag für die Zukunft der Satellitenkommunikation.

Teil eins der Reise: Von der Idee zum Raketenstartplatz

Wie kam SALSAT in den Orbit?

Zum Start von SALSAT am 28. September 2020 lagen zwischen Idee und Start nur zwei Jahre Entwicklungszeit. Die Idee zum Forschungsvorhaben entstand bereits in den vorherigen Projekten zur Frequenzkoordinierung sowie SALSA  und S-Net. Während aus dem S-Net-Projekt ein Flugersatzmodell des TUBiX10-Nanosatelliten zur Verfügung stand, wurde im Projekt SALSA der gleichnamige Spektrum-Analysator als Satellitennutzlast entwickelt. Parallel wurde am Fachgebiet Raumfahrttechnik ein miniaturisierter fluiddynamischer Aktuator konstruiert. Durch die Kombination dieser Kerninhalte entstand die Missionsidee für das Forschungsvorhaben SALSAT, das am 1. Juli 2018 begann. 

Wie lässt sich ein Raumfahrtprojekt organisieren?

Die Umsetzung von Raumfahrtprojekten ist in der Regel in Projektphasen (A bis F) untergliedert. Die einzelnen Phasen werden nach dem Meilensteinprinzip in sogenannten Reviews kritisch bewertet. Neben den wissenschaftlichen Missionszielen besteht eine besondere Herausforderung im Projektmanagement darin, einen existierenden Satellitenbus auf ein neuartiges Missionsprofil anzupassen und die Entwicklungszeit auf zwei Jahre zu beschränken.

Nach der Freigabe durch das Preliminary Design Review (PDR) im Oktober 2018 erfolgte die Produktion erster Prototypen und Softwarelösungen. Im Rahmen der Qualifikationskampagne wurde das Design verifiziert und ein Modell des Gesamtsystems entsprechend der zu erwartenden maximalen Umweltbelastungen getestet. Hierzu zählen starke Vibrations- und Schocktests zur Simulation des Raketenstarts, Thermal-, Vakuum- und Strahlungstests zur Simulation der Temperaturschwankungen (Tag-/Nacht-Übergang), sowie der natürlichen Strahlung im Erdorbit. Alle Tests werden nach Vorgabe des Startanbieters für die jeweilige Trägersystem durchgeführt. Für SALSAT ist dies die russische Sojus-Rakete mit einer unbemannten Fregat-Oberstufe.

Das Team hinter dem Projekt

In 570 Kilometer Höhe

Nach erfolgreichem Abschluss der sogenannten Akzeptanztests des finalen Satelliten erfolgte am 22. Juli 2020 – fast genau zwei Jahre nach Projektbeginn – die Freigabe für den Start von SALSAT. Der Satellit und vor Ort notwendiges Equipment wurden nach einer detaillierten Dokumentation und dem Erteilen der Exportgenehmigung sowie Zollabwicklung am 5. August 2020 zum Kosmodrom Plessezk verschifft. Mitarbeiter des Projektteams nahmen dort die finalen Funktionstests sowie die Integration des Nanosatelliten auf der Raketenoberstufe vor. Der Start und somit Beginn der Nutzungsphase erfolgte planmäßig am 28. September 2020. 

SALSAT wurde in einen sonnensynchronen Orbit in ungefähr 575 Kilometer Höhe mit einer Umlaufperiode von 90 Minuten gebracht. Die täglichen Überflugzeiten des Missionskontrollzentrums der TU Berlin sind ungefähr 13.11 Uhr nachmittags und 1.11 Uhr nachts. Das Ende des wissenschaftlichen Betriebs wird nach circa zwei Jahren sein. Der Satellit kann anschließend für Experimente oder zu Ausbildungszwecken verwendet werden. Nach aktuellen Prognosen ist mit dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre (je nach Orbit, Ausrichtung und Sonnenaktivität) ab 2032 zu rechnen.  

Teil zwei der Reise: Letzte Akzeptanztests

Wie wird die Funktionsfähigkeit des Satelliten verifiziert?

Die Akzeptanztests dienen der Verifizierung des Gesamtsystems und des Ausschlusses von Fertigungsfehlern. Sie werden unter simulierten Umgebungsbedingungen im Zielorbit des Satelliten durchgeführt. Vorab und nach den Tests erfolgen diverse Betriebstests im Labor, die überprüfen sollen, dass SALSAT (weiterhin) funktionstüchtig ist. Beispiele hierfür sind der Test der Lageregelung und des Kommunikationssystems. Die Lageregelung des Satelliten wird auf einem frei beweglichen, reibungsarmen Luftlagertisch unter Beleuchtung mit einer speziellen Laborlampe (als künstliche Sonne) durchgeführt. Es wird nachgewiesen, dass sich der Satellit im Orbit korrekt ausrichten sowie einer Rotations- oder Taumelbewegung aktiv entgegenwirken kann und ihn seine Solarpanele mit genügend Energie versorgen. Das Kommunikationssystem, das bei SALSAT über Amateurfunkfrequenzen im UHF und wissenschaftliche Bänder im S-Band die Kommandierung des Satelliten und Softwareupdates sowie den Download der Spektraldaten ermöglicht, konnte ebenfalls erfolgreich verifiziert werden.

Sonnen- und Schattenphasen simulieren

Auf die Funktionstests aller wichtigen Subsysteme und der Nutzlasten folgt der Vibrationstest. Während des Tests befindet sich der ausgeschaltete Satellit in seinem Auswurfcontainer, der auf einem Rütteltisch mehrfach in allen Achsen auf verschiedenen Amplituden und Vibrationsprofilen (Sinus- und Zufallsvibration) geprüft wird. Besonders wichtig ist, dass sich die Resonanzfrequenz des Satelliten hierbei nicht oder nur marginal verändert. Größere Verschiebungen deuten auf Veränderungen der Hardware (abgefallene Bauteile und anderes) hin. Anschließend erfolgen Thermaltests, bei denen die großen Temperaturunterschiede in den Sonnen- und Schattenphasen simuliert werden. Über diese Thermalzyklen sollen unter anderem elektrische Defekte wie schlechte Lötstellen detektiert werden.

Transportschäden ausschließen

Da die Hauptnutzlast von SALSAT ein Spektrum-Analysator ist, wurden ebenfalls Tests der elektromagnetischen Eigenschaften des Gesamtsystems durchgeführt. Ziel war es, zum einen eigene Störungen (Störaussendung) zum Beispiel durch Laderegler auszuschließen, und zum anderen die Robustheit gegen Störeinstrahlung (starke Sender, andere Satelliten) sicherzustellen. Abschließend erfolgten erneute Funktions- und Betriebstests, um zu gewährleisten, dass der Satellit weiterhin funktionsfähig ist und durch das Bodenpersonal korrekt kommandiert werden kann. SALSAT bestand die Akzeptanztests erfolgreich . Nach dem Transport zum Startplatz wurden vor Ort erneut (im Umfang angepasste) Funktionstests durchgeführt, um Transportschäden auszuschließen. Diese verliefen erfolgreich, so dass SALSAT seine Reise in den Erdorbit antreten und nach wenigen Stunden erste Funksignale zum Missionskontrollzentrum der TU Berlin senden konnte.

Angaben zur Förderung

Die SALSAT-Mission wird aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über die Abteilung Satellitenkommunikation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) gefördert. Als externer Projektpartner ist das Deutsche Zentrum für Satellitenkommunikation (DeSK e.V.) beteiligt, das beim Satellitenbetrieb und der Öffentlichkeitsarbeit unterstützt.

Kontakt

Jens Großhans

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

jens.grosshans@tu-berlin.de

+49 (0)30 314-29144

Einrichtung Fachgebiet Raumfahrttechnik