InnoCubE

Das InnoCubE Projekt ist ein Satellitenprojekt unter Kooperation der Technischen Universität Berlin und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Das Ziel des Projekts ist die Technologiedemonstration von zwei innovativen Technologien anhand eines Kleinsatelliten, eines CubeSats im Format 3U+. InnoCubE steht für Innovative Cubesat for Education. Die Ausbildung von Studierenden im Rahmen von Entwicklung, Planung und Betrieb ist neben der Technologiedemonstration ein wichtiger Punkt des Projekts. InnoCube soll in seiner Lebensdauer von mindestens einem Jahr in einer Umlaufbahn von 500 bis 600 km Höhe operieren.

Die Verwertung und Demonstration von zwei Technologien, welche jeweils als Gesamtsieger aus dem InnoSpace-Masters-Programm in den Jahren 2016 und 2017 hervorgegangen sind, wird verfolgt.

Dies ist zunächst SKITH, ein kabellose Satelliteninfrastruktur, eine Entwicklung der JMU Würzburg unter Leitung von Prof. Sergio Montenegro. SKITH ersetzt konventionelle Kabelverbindungen mit robuster, fehlertoleranter Software, welche das 2,4 Ghz-Band mit bis zu 19 dBm Sendeleistung benutzt.

Wall#E ist eine Entwicklung der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Enrico Stoll und in Kooperation mit Prof. Kwade vom Institut für Partikeltechnik (iPat). Das Ziel ist die Integration von Energiespeicherfunktionen in die tragenden Strukturen von Raumfahrzeugen. Dadurch kann eine deutliche Reduzierung der Masse und des Volumens bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit erreicht werden. Verbunden mit der Berufung von Prof. Stoll an die TU Berlin wird die Verwertung von Wall#E und das InnoCube Vorhaben seit April 2021 in Berlin als WallE-2-Space fortgeführt.

Zudem wird eine weitere Nutzlast vornehmlich zu Ausbildungszwecken und Forschung entwickelt. Diese EPISODE-Nutzlast besteht aus einem software-defined globalen Navigationssatellitensystem (GNSS global navigation satellite system) Empfänger in Verbindung mit einem Laser-Retroreflektor. Neben den wissenschaftlichen Zielen ist auch die Steigerung der universitären Kompetenzen angestrebt. Dies soll durch eine praxisnahe, nachhaltige Ausbildung von Studierenden sowie wichtige technische und wissenschaftliche Publikationen erreicht werden.

Eine Mitarbeit ist für Studierende in Form von Abschlussarbeiten und freiwilliger Basis möglich.

Energiespeichernde Satellitenstruktur

Wall#E wurde in Braunschweig am Institut für Raumfahrtsysteme und dem iPat entwickelt. Es handelt sich dabei um eine spezielle Faserverbundstruktur, die elektrische Energie speichern kann und sich gleichzeitig als tragende Struktur des Satelliten nutzen lässt. Diese Art von Akku ermöglicht eine deutliche Massen- und Volumenreduzierung eines Satelliten bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit. Im Rahmen von InnoCubE werden die bisherigen Forschungsergebnisse von Wall#E verwertet und in ein Nutzlastsystem für einen Satelliten überführt, um die Technologie zu evaluieren und zu erproben. Hierbei muss speziell auf die Nutzung unter Weltraumbedingungen geachtet und die Prozesse aus Wall#E angepasst werden. Es werden verschiedene Ausführungen der Strukturbatterie integriert und definierte Verbraucher und Sensorik ermöglichen eine Charakterisierung und Vergleich der Technologie.

Funkmodule für kabellosen Satellitenbus

Aus Würzburg stammt die kabellose Satelliten-Infrastruktur Skith (Skip the harness). Das SKITH Wireless Bus System verbindet alle Komponenten des Satelliten, wie z.B. Kommunikation, OBC, ADCS, Payload und PCDU drahtlos miteinander. Das System ist zugleich echtzeitfähig und ausfallsicher. Durch die geringe Signalstärke der Funkmodule werden die hochempfindlichen Instrumente an Bord des Satelliten nicht gestört. Die hier erläuterten SKITH-Module mit integrierter Funkschnittstelle benutzen ein eigens in Würzburg dafür entwickeltes SKITH-Protokoll.

Zusätzliche Nutzlast EPISODE

EPISODE ist ein software defined radio GNSS Empfänger in Kombination mit einem Laser Ranging Reflektor. Dieser entsteht durch Entwicklung in Studienarbeiten, Bachelorarbeiten und Masterarbeiten.

Die Basis des SDR Receivers ist ein Nutzlastcomputer, welcher eine heterogene Prozessierungseinheit ist. Er vereint mehrere ARM-Cortex (A53 und R5F) sowie einen FPGA auf einem Chip. Das Front-End ist ein Maxim 2769 Universal GNSS Receiver, welcher die erste Stufe der Signalverarbeitung durchführt. Das Front-End empfängt die Signale im L1-Band, filtert und verstärkt sie. Das Signal wird auf eine Zwischenfrequenz heruntergemischt (4.092 MHz) und von einem analogen in einen digitalen Datenstrom mit einer Auflösung von 4-bit (I+, I-, Q+, Q-).

Mit der Taktfrequenz des lokalen Oszillators (16.368 MHz) wird das Signal an den FPGA gesendet.Dort findet die erweitere Signalverarbeitung statt. Das Signal wird in einem Parallel Code Phase Search Algorithmus identifiziert. Dabei wird der C/A-Code des Signals, die Dopplerverschiebung, und die Code Phase entschlüsselt. Diese Informationen werden an das Tracking übergeben, in dem ein kontinuierliches Verfolgen des Signals durchgeführt wird. 

Ziel von EPISODE ist es, kommerziell erhältliche Hardware für einen softwarebasierten GNSS-Empfänger zu testen und ein experimentelles „GNSS-Labor“ im Orbit zu haben. Dieses kann zum Beispiel für die Erprobung von neuen Algorithmen genutzt werden.

Test im Orbit für 2024 geplant

Der Kleinsatellit InnoCubE, in den Skith und Wall#E erstmals integriert sind, soll 2024 mit einer Rakete in den Orbit gebracht werden. Das ausgiebige Testen und Evaluieren des Satelliten und der Technologien ist für eine Dauer von einem Jahr geplant. Dabei umkreist der Satellit die Erde in einem noch nicht festgelegten Orbit im Bereich von 350 bis 600 Kilometer Höhe. Er wiegt etwa vier Kilogramm, seine Abmessungen sind 34 × 10 × 10 Zentimeter.

Die Erkenntnisse aus den Orbit-Tests sollen sowohl in irdische als auch in raumfahrtbezogene Technologien einfließen. Denkbar ist zum Beispiel, dass die Kombination aus Skith und Wall#E den Bau von Flugzeugen mit weniger Kabeln und energiespeichernden Außenwänden ermöglicht. Dies würde Gewicht sparen und könnte womöglich die Tür zum elektrischen Fliegen öffnen.

Arbeiten im Projekt

Im Rahmen von Studienarbeiten, Bachelor- und Masterarbeiten ist eine Mitarbeit für Studierende möglich.

Es wurden bisher folgende studentischen projektbezogenen Arbeiten erstellt:

2020

• Studienarbeit: Auslegung eines CubeSat zur Erprobung innovativer Technologien

• Studienarbeit: Auslegung einer Kommunikationsstrecke für eine CubeSat Mission

• Semesterarbeit: Entwicklung eines modularen Strukturkonzeptes für den 3U CubeSat Innocube

2021

• Bachelorarbeit: Thermalanalyse und -simulation eines 3U CubeSat

• Masterarbeit Entwicklung einer GNSS Nutzlast für eine CubeSat Mission

• Masterarbeit: GNSS Positionsbestimmung eines Nanosatelliten

• Masterarbeit: Auslegung eine CubeSats Laserentfernungsmessungsnutzlast

2022

• Entwicklung der Software für EPISODE (Nutzlastapp in Satellitenbus, Multilaterationsalgorithmus)

• Space Debris Mitigation

Folgende Arbeiten laufen zurzeit:

• In Bearbeitung Masterarbeit: Thermalsimulation und -Modelverifizierung und Validierung eines 3U CubeSats

• Entwicklung der Schnittstelle zwischen Transceiver und Emulation der Transceiver zur Entwicklung

Weitere Arbeiten sind möglich im Bereich:

• Entwicklung einer SDR-Schnittstelle zur Bodenstationsinfrastruktur auf Basis von GNURadio

• Entwicklung des Embedded Designs für EPSIODE (GNSS - Algorithmus)

Missionsplanung operationeller Betrieb

An der TU Berlin sind die folgenden Teammitglieder am Projekt beteiligt:

• Benjamin Grzesik, Projektleiter
• Simon Gläsner, Projektmitarbeiter

InnoCubE wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Abteilung Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.

FKZ: 50 RU 2001 

Dank an das Institut für Partikeltechnik (iPAT) der Technischen Universität Braunschweig für die bisherige und kontinuierliche Zusammenarbeit und Unterstützung bei Wall#E. Des Weiteren danken dem GFZ Potsdam für das Testen der Prismen für die Laserentfernungsmessung. Ein weiterer Dank geht an unsere Sponsoren Valispace und ITP Engines UK Ltd. für ESATAN-TMS.