Kurzfassung

CubeSats sind eine Schlüsseltechnologie, die den kosteneffizienten Einsatz vieler Anwendungen im Weltraum wie Erdbeobachtung, Kommunikation und Technologiedemonstration ermöglicht. Die meisten dieser Anwendungen benötigen eine ausgesprochen hohe Downlink Datenrate vom Satelliten zur Bodenstation. Diese hohen Raten erhöhen die Anforderungen an Raum, Gewicht und Leistung, was ein wertvolles Gut jeder CubeSat Mission darstellt. Darüber hinaus stellen die traditionelle (Amateur-)Funkfrequenzbänder eine starke Limitierung der Bandbreitenzuweisung auf, und in Kommunikationssystemen mit S-, X- und Ka-Band-Frequenzbereichen sind bereits Trends zur Nutzung kürzerer Wellenlängen wahrnehmbar.

Das folgende Konzept beruht darauf, dass die Kommunikationswellenlänge in Richtung optischer Frequenzen weiter reduziert werden, was effektiv zu einer optischen Free Space-Kommunikation für CubeSats führt. Optische Frequenzen ermöglichen minimierte Divergenzwinkel, und daher zu einer hohen Energieeffizienz, hohe Datenraten und keine Probleme mit Frequenzzuweisungen und Bandbreitenbeschränkungen. Die besondere Anforderung dieses Konzepts bringt jedoch viele Herausforderungen für Satelliten dieser CubeSat Größe (1U) mit sich. Insbesondere die Zielgenauigkeit und die daraus resultierende Spezifikation für das ADCS sowie die Notwendigkeit, Leistung für das Trägersignal (den Laserstrahl) bereitzustellen, haben die Nutzung dieser Technologie verhindert. Um diese Herausforderungen zu meistern, wurde bereits in den neunziger Jahren die reflektierende optische Free Space-Kommunikation vorgeschlagen. Dabei werden alle energieintensiven und komplexen Komponenten in der Bodenstation integriert.

Ein Hochleistungslaser in der Bodenstation verfolgt den vorbeifliegenden Satelliten mit Hilfe eines Teleskopsystems und liefert das Trägersignal für dieses Kommunikationskonzept. Ein Retro-Reflektor am Satelliten reflektiert das Licht direkt zurück zur Bodenstation. Ein am Retro-Reflektor angebrachter optischer Modulator moduliert das reflektierte Licht und ermöglicht so einen optischen Downlink. Diese Baugruppe aus Retro-Reflektor und Modulator wird modulierender Retro-Reflektor (MRR) genannt. Mit dieser Technologie werden Daten vom Satelliten zu einer Bodenstation, mit nur einem Bruchteil der Energie übertragen.

DISCO One implementiert dieses Konzept der reflexionsoptischen Kommunikation für CubeSats und strebt den Proof-of-Concept über eine In-Orbit-Demonstration mit einer einzigen Satelliteneinheit an. Das verwendete MRR-System basiert auf einfachen LCDs, die die Schlüsselkomponente des vorgeschlagenen Systems darstellen und Datenraten von bis zu 1 kbps versprechen. Das Hauptaugenmerk dieses Konzepts besteht darin, einen Systemüberblick zu schaffen und das Konzept des dieser Kommunikation vorzustellen. DISCO One konzentriert sich auf eine einfache, robuste und langlebige Implementierung des Satelliten sowie des optischen Kommunikationssystems. Da es auf einer 1U-CubeSat Plattform basiert, sind sowohl die verfügbare Energie als auch der verfügbare Raum erheblich begrenzt. Der vorgeschlagene Stromverbrauch des vollständigen Satelliten einschließlich der MRRs liegt im Durchschnitt unter 1 W, während das Kommunikationsmodul maximal 0,2 W verbraucht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Ziel darin besteht, das Design eines kostengünstigen optischen Downlinks für Kleinsatelliten zu verifizieren, welches dann zu einem wiederverwendbaren System weiterentwickelt und z.B. von Universitäten und der Industrie genutzt werden kann, um die Datenverbindungsbudgets zu erhöhen und den Energiebedarf zukünftiger Satellitenmissionen zu senken.

Abbildung 1: Modell von DISCO One

DISCO One besteht aus den folgenden Subsystemen:

  • ADCS – System zur Bestimmung und Steuerung der Fluglage
  • EPS – Elektrische Stromversorgung
  • COM – Kommunikationsmodul
  • MRR – Modulierender Retroreflektor
  • OBC – Bordcomputer

Leider blieb die Idee dieses CubeSats ein Konzept und wurde aufgrund von Problemen bei der Realisierung des MRR nie umgesetzt. Mit Ausnahme des MRR wurden alle anderen Subsystemkomponenten entwickelt und werden im aktuellen CubeSat Projekt  eingesetzt.

Abbildung 2: Poster das bei der 34th Small Satellite Conference (www.smallsat.org) präsentiert wurde.

Team

Andreas Sinn – Project lead, OBC, MRR
Raphael Böckle – Project management, COM
Thomas Riel – EPS
David Wagner – EPS, Orbit simulation, Mechanics
Benjamin Geislinger – Mechanics
Philip Olbrich – Software
Fabian Kresse – Software
Jan Pac – Software
Thomas Hirschbüchler – MRR, COM, Assembly and Integration
Peter Kremsner – COM, Electronics support
Alexander Hartl – ADCS