Da die Entwicklung unserer aktuellen CubeSat Mission mit immer größeren Schritten dem All näherkommt, nutzen wir hier die Möglichkeit um einen Rückblick auf das bereits Erreichte zu geben und um die nächsten Schritte zu zeigen. Zudem können wir bereits einen Ausblick auf den Launch geben, der mittlerweile ebenfalls fixiert wurde.

Im Moment arbeiten 21 Personen am Design der Subsysteme (Hardware und Software), der Integration des CubeSats, sowie am Missionsdesign. Seit dem Start im August 2020 waren aber auch viele andere Personen an der Entwicklung beteiligt, wobei auch unseren Reviewern und Sponsoren ein ganz besonderer Dank gilt.

System Architektur und FlatSat

Das erste Review galt der Systemarchitektur, da diese die Grundlage für die Zusammenarbeit der Subsysteme vorgibt. Nachdem die Architektur von unseren Reviewern dankenswerterweise begutachtet und akzeptiert wurde, starteten wir mit der Entwicklung der Subsysteme. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, wurden die einzelnen Subsysteme auf einem großen PCB (FlatSat) installiert. Solch ein Aufbau ermöglicht die benutzerfreundliche Simulation des Satelliten am Boden. Da der FlatSat auch mit dem Internet verbunden ist, kann Software jederzeit, und von überall darauf getestet werden.

Im Zuge der Inbetriebnahme wurde die grundsätzliche Funktion der einzelnen Subsysteme mit Hilfe von einfachen Skripten getestet. Nachdem diese „Smoke Tests“ erfolgreich durchgeführt wurden, konnte dann mit der Communication and On-Board Computer (COBC) Software begonnen werden, welche auf dem Betriebssystem „Rodos“ basiert. Rodos ist ein real-time operating system (RTOS), welches von der Universität Würzburg am Lehrstuhl für Informationstechnik für Luft- und Raumfahrt (Prof. Sergio Montenegro) entwickelt wurde. Da wir im Zuge des System Architektur Reviews, den Dataflow vom Boden bis zum CubeSat spielerisch mithilfe eines „Dataflow Game“ definiert haben, hat sich daraus auch die Software Architektur ergeben, welche nun entwickelt werden kann.

Des Weiteren hilft uns der FlatSat nun auch neue Versionen der Subsysteme, sowie Software Konzepte zu testen und zu evaluieren. Dies beinhaltet auch Langzeittests unter kontrollierten Bedingungen, sowie die gezielte Manipulation von Subsystemen zur Simulation von Fehlern, die eventuell während der Mission auftreten könnten. So werden wir den FlatSat auch noch nach dem Launch weiter im Betrieb lassen um Szenarien nachzuspielen und verschiedenste Funktionen zu testen.

Zudem haben wir bereits mit Hilfe des FlatSats und der aktuellen Subsystem Versionen die grundsätzliche Mission testen können: Also das Ausführen eines Python Skripts zum Auslesen von verschiedensten Sensoren und der Kommunikation zwischen dem COBC und der Education Payload, welche aus dem Raspberry Pi und den Sensoren besteht. Das Setup wurde auch schon komplett energieautonom betrieben, um die Funktion unseres Electrical Power System (EPS) zu testen. Abbildung 3 zeigt die Demonstration und die Visualisierung der Sensordaten bei der Langen Nacht der Forschung 2022 in Wien.

Ground Station

Da wir natürlich mit dem CubeSat kommunizieren wollen, machten wir uns an die Arbeit und starteten mit der Konstruktion unserer Ground Station. Diese soll auf dem Open-Source Projekt SatNOGS aufbauen. Zusätzlich soll das Konzept der SatNOGS Ground Stations in Schulen angeboten werden und Satellitenkommunikation somit Schüler:innen vermittelt werden. Hier ist auch anzumerken, dass diese Ground Station zum Empfangen jeglicher Satelliten Daten verwendet werden kann und somit auch unabhängig von unserer CubeSat Mission betrieben werden kann.

Dank Prof. Mecklenbräuker vom Institut für Telekommunikation an der TU Wien konnten wir einen geeigneten Standort für unsere rotierbare SatNOGS Ground Station am Dach des elektrotechnischen Instituts finden. Seit Juni 2023 ist diese Ground Station online (Link zu unserer Ground Station: https://network.satnogs.org/stations/2926/). Parallel zur Entwicklung der rotierbaren Ground Station, die dem Satelliten am Horizont folgt, beschäftigen wir uns gerade mit dem Bau einer stationären, kleineren Antenne. Durch die Verwendung von Software-defined radio (SDR; Hack RF One) verwenden wir ein recht flexibles System um verschiedene Antennen Konzepte zu betreiben.

Aktueller Stand und Education

Im Moment sind wir damit beschäftigt die Subsysteme bzw. die gesamte CubeSat Hardware in einen Zustand zu bekommen in dem sie flight-ready sind. Zum einen wurden bereits die Antennen vermessen (Abbildung 6). Hier gilt Seibersdorf Laboratories ein besonderer Dank für die tolle Unterstützung und das Durchführen der Messungen. Mithilfe der extrahierten Daten, wurde bereits ein Antrag für die Frequenzkoordinierung eingereicht, welcher uns nach erfolgreicher Prüfung berechtigt auf dem gewünschten Frequenzband zu operieren.

Aus Sicht der einzelnen Subsysteme sind wir damit beschäftigt, die letzten Hardwareimplementierungen zu realisieren, um dann die verschiedensten Tests, wie Shaker Tests (welcher den Launch des CubeSat simuliert) oder Thermal Vacuum Chamber (TVAC) Tests durchzuführen. Hier gilt es besonders die korrekten PCB Materialien und Requirements, sowie eine weltraum-konforme Bestückung zu gewährleisten, da wir uns bisher rein auf die Funktion der einzelnen Subsysteme konzentrierten. Hier haben wir mit dem tgm und DI Christian Fuchsberger einen Kooperationspartner gefunden, der uns hier dankenswerterweise unterstützt. Zudem werden die wichtigsten Software Funktionen, sowohl auf COBC als auch auf EDU (Raspberry Pi) Seite, verfeinert um eine zuverlässige Funktion im All zu gewährleisten.

Um die Funktionsweise des CubeSats und besonders der RF Kommunikation zu testen werden wir mit dem Space Team der Universität Stuttgart KSat e.V. einen High-altitude flight an Bord eines Wetterballons durchführen. Das soll uns dabei helfen ein besseres Verständnis unter autonomen Bedingungen zu bekommen, um dann diese Erkenntnisse in der Flughard- sowie software umzusetzen. Dazu muss dann die gesamte Hardware im 10 x 10 x 12 cm CubeSat integriert, sowie verdrahtet werden (siehe nächstes Kapitel).

Damit Schulen bereits eingebunden werden können, haben wir bereits Raspberry Pi Hats entwickelt und gefertigt. Diese Boards können auf den Standard Raspberry Pi gesteckt werden und beinhalten die wichtigsten Sensoren, die auch an Bord des CubeSats zu finden sind. Das ermöglicht es Schüler:innen die Entwicklung ihrer Experimente, ohne tastächlich Zugriff auf STS1 zu haben. Nach erfolgreichen Tests dieser Experimente am Boden, werden diese dann im All von STS1 ausgeführt. Zusätzlich wurden dazu bereits Python Bibliotheken angefertigt um einen möglichst einfachen Einstieg zu gewährleisten und auch die Funktion auf dem CubeSat zu gewährleisten. Abbildung 7 zeigt ein bestücktes EDU Hat.

Hier haben wir bereits enge Kooperationen mit der HTL Leonding, HTL Rankweil und dem tgm gestartet und im Zuge dessen Diplomarbeitsthemen in Kooperationen mit engagierten Lehrern gestartet. Besonders der Bau und Betrieb von SatNOGS Ground Stations, sowie die tatsächlichen Software Experimente haben hier bereits auf Anklang gefunden. Zudem ermöglicht uns diese Kooperation eine enge Abstimmung unserer tatsächlichen Mission, die im Moment in Entwicklung ist.

Integration und Tests

Wie bereits erwähnt werden wir demnächst die volle Funktion des CubeSats im Zuge eines High-altitude Flugs testen. Das beinhaltet auch die vollständige Integration der gesamten Elektronik in den CubeSat. Dies ist vor allem auch von höchster Bedeutung für die zukünftigen Tests, wie Shaker Tests oder TVAC Messungen. Dazu gehört auch das vollständige Design der Side Panels, welche Teile der EPS, sowie die Solarzellen beinhalten. Abbildung 8 zeigt die ersten Schritte in Richtung Integration.

Zusätzlich werden wir noch ein Dosimeter, welches die Strahlung im All messen kann, integrieren. Das Design, sowie die tatsächliche Integration des Dosimeters innerhalb des CubeSats, wird von Seibersdorf Laboratories durchgeführt. Es freut uns wirklich sehr, den teilnehmenden Schüler:innen diesen Sensor für ihre Experimente anbieten zu können.

In Abbildung 9 ist der komplette CubeSat flight-ready zu sehen.

Nach dem erfolgreichen High-altitude Flug Ende Sommer 2023, sowie den Tests, soll dann die tatsächliche Flughardware bestellt und gefertigt werden. Diese wird dann weiteren Tests unterzogen bzw. wird ein CubeSat am Boden durchgängig betrieben werden, um mögliche Fehler zu finden. Im Moment rechnen wir mit dem vollständig integrierten und flight-ready CubeSat bis Herbst/Winter 2023.

Launch

2022 haben wir bei der Microlauncher Payload Competition des DLRs (Deutsche Luft- und Raumfahrtagentur) teilgenommen und einen Platz in der zweiten Spectrum Rakete von isar aerospace gewonnen. Diese wird voraussichtlich 2024 starten. Davon konnten wir uns im April 2023 überzeugen, als isar aerospace zum Customer Day geladen hat. Bei diesem Event, stellten alle Raketenpassagiere ihre Mission vor. Außerdem nutzte isar aerospace die Gelegenheit um ihre beeindruckenden Werkshallen und den aktuellen Stand der Spectrum Raketen zu präsentieren.

isar aerospace wird schon jetzt als europäische Antwort auf SpaceX gehandelt, und wird von führenden Größen in der Industrie und Regierung gefördert. Es freut uns natürlich sehr, hier Teil der New Space Bewegung sein zu dürfen, und bei isar aerospaces ersten Launches dabei zu sein.

Link zum CubeSat Content auf spaceteam.at: https://spaceteam.at/cubesats/spaceteamsat1/