SpaceTeamSat1

SpaceTeamSat1 (STS1) ist die aktuelle CubeSat Mission des TU Wien Space Teams, welche im August 2020 gestartet wurde. Ziel ist es, einen 1U CubeSat für Ausbildungszwecke zu entwickeln und im Orbit zu betreiben. Damit soll Schülerinnen und Schülern in Österreich die Möglichkeit gegeben werden, selbst-entwickelte Software auf der Educational Payload des Satelliten auszuführen. Die Payload besteht dabei aus einem Raspberry Pi, an dem diverse Sensoren und Kameras angeschlossen sind. Schülerinnen und Schüler aus AHS und BHS können somit mittels Python auf diese zugreifen und Messungen, Bilder etc. ausführen bzw. aufnehmen. Zudem wird die Möglichkeit geschaffen, dass die Schülerteams ihre Software Experimente in enger Zusammenarbeit mit dem TU Wien Space Team entwickeln. Nach erfolgreicher Validierung des Codes, wird dieser per RF Kommunikation von einer Bodenstation an den Satelliten übertragen, welcher den Code ausführt und die Resultate der Experimente zurück an die Bodenstation übermittelt. Von dort werden die (aufbereiteten) Daten den Schülerinnen und Schülern übergeben. Die Daten können dann im letzten Schritt von den Schülerinnen und Schülern ausgewertet, interpretiert und präsentiert werden. Ein wichtiger Aspekt ist dabei auch, dass die Schülerteams den gesamten Prozess der Datenkommunikation kennenlernen. Dazu wird ein Mission Control Center beim TU Wien Space Team aufgebaut, das dann die aktuellsten Statusdaten, Position des CubeSats etc. darstellt.

Da STS1 der erste CubeSat des TU Wien Space Teams ist, welcher selbstständig entwickelt und betrieben werden wird, wird in der Ausarbeitung der CubeSat Mission besonderen Wert auf den Aufbau von Know-how, was die Entwicklung, den Betrieb und die rechtlichen Schritte einer Satellitenmission betrifft, gelegt. Deswegen wurde bereits eine strukturierte Dokumentations- und Reviewkultur eingeführt.

Haupteigenschaften der CubeSat Mission SpaceTeamSat1:

• 1U (10 x 10 x 12 cm³ und ca. 1,0 kg) CubeSat Plattform
• STS1 wird im Low Earth Orbit (LEO ~ 350 – 500 km) betrieben werden
• STS1 wird ein Live-Labor für Schülerinnen und Schüler der AHS und BHS sein
• STS1 wird die Amateurfunkcommunity ansprechen und das Thema “Amateurfunk” in die Klassenräume bringen
• STS1 wird durch den Launchanbieter ISAR Aerospace gelauncht
• Educational Mission Objectives:
  • Schülerteams messen sich in einem Space Wettbewerb
  • Python Code auf der Educational Payload (Raspberry Pi)
  • Unzählige Software Projekte sind möglich. Dafür stehen viele Sensoren zur Verfügung.
  • Die Messwerte und/oder Bilder werden den Schülerteams zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung gestellt
  • Die Schülerteams interpretieren und präsentieren ihre Resultate und lernen dadurch wichtige Aspekte der Weltraumtechnologien
• Die Educational Payload beinhaltet unter anderem folgende Sensoren:
  • Temperatursensoren
  • Beschleunigungssensor
  • Magnetfeldsensor
  • UV Sensor
  • Dosimeter (Seibersdorf)
  • Kameras

Im August 2020 fand der KickOff-Workshop statt, in dem das Leitbild und die Ziele der Mission definiert wurden. Das Missionstatement und die Missionsziele definieren dabei die Basis für eine erfolgreiche CubeSat-Mission.

Mission statement

Begeisterung und Interesse für Technik und Wissenschaft sind wichtige Merkmale einer fortschrittlichen Gesellschaft. Sie folgen aus der Neugierde und dem Entdeckungswillen, welche tief in der menschlichen Natur verwurzelt sind. Heutzutage ermöglichen Weltraumtechnologien der Menschheit, diesem Drang nachzugehen und damit ihren geistigen Horizont weiter als jemals zuvor zu erweitern. Obwohl Weltraumtechnologien tief in der Popkultur verwurzelt sind und Organisationen wie die NASA, ESA oder SpaceX erfolgreich öffentlichkeitswirksame Missionen durchführen, scheint ein praktischer Zugang zu diesen Themen für die meisten Menschen unerreichbar. Daher wollen wir Schülerinnen und Schülern von AHS und BHS einen Einstieg in die Weltraumtechnologien ermöglichen, indem wir ihnen die Möglichkeit geben, eigene Software Experimente auf unserer selbst entwickelten CubeSat Plattform “Made in Austria” durchzuführen. Wir hoffen, dass dies ihren Bildungshorizont erweitert und wir dadurch die nächste Generation von Raumfahrt- und Wissenschaftsbegeisterten inspirieren können.

Missionsziele

Die Missionsziele dienen dazu, dass man sich dem Nutzen einer Weltraummission bewusst wird und definierte Ziele einer so komplexen Mission hat.

Primäre Missionsziele

• Einen funktionierenden CubeSat zu entwickeln und zu fertigen.
• Den Betrieb unseres selbst entwickelten CubeSats zu gewährleisten.
• Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit geben, ihre selbst entwickelte Software auf einem CubeSat auszuführen.
• Schülerinnen und Schüler zur Teilnahme an einem Weltraumprojekt zu motivieren.

Sekundäre Missionsziele

• Ein Bild aus dem Weltraum aufzunehmen.
• Die gesammelten Daten und Erfahrungen der Öffentlichkeit, und im speziellen anderen CubeSat Missionen, zugänglich zu machen.

Educational Mission

Während einige Oberstufenschulen kleine Satellitenprojekte, wie z.B.: CanSat oder Aufbau einer Bodenstation, im Rahmen von Freifächern oder unverbindlichen Übungen durchführen, sind diese Projekte meist in Bodennähe und somit nicht Weltraumbedingungen ausgesetzt. Mit unserer CubeSat Mission wollen wir als Space Team der TU Wien die Möglichkeiten erweitern und Schüler und Schülerinnen mittels diversen Experimenten die Möglichkeit geben an einer Space Mission teilzunehmen, die in einem tatsächlichen Orbit um die Erde stattfindet. Um dies zu ermöglichen wollen wir eine 1U CubeSat Platform entwickeln, die Zugriffe auf einen Raspberry Pi und den daran angeschlossenen Sensoren erlaubt. Schüler*innen können also eigene Softwareexperimente in Python schreiben und Daten von Sensoren im Weltall auswerten und auch interpretieren.

In diesem Sinne gibt es mehrere Vorzüge dieser Zusammenarbeit: Einerseits kommen die Teilnehmer*innen in einem sehr anwendungsorientierten Rahmen in Kontakt mit Python, was an einen Einstieg in den Themenbereich der Softwareentwicklung heranführt. Die Aufgabenstellungen reichen von der Nachvollziehen und dem Nachbauen älterer CubeSat Missionen bis zum Herausfinden, wie man eine CubeSat Mission am besten anwendet z.B.: zur Beobachtung und Bekämpfung des Klimawandels. Genauso werden wir es ermöglichen, dass eigene kleine Missionen ausgeführt werden können. Dabei stehen die vorhanden Sensoren und Kameras zur vollen Verfügung und die Schüler*innen können kreative Softwareprojekte umsetzen.

Wir wollen aber nicht nur Softwareprojekte ermutigen, sondern auch die Arbeit an den Hardwarethemen begrüßen. Teilnehmende Schulen können vorgefertigte Raspberry Pi HATs mit den tatsächlichen Sensoren auf dem CubeSat vom TU Wien Space Team beziehen, was die Arbeit an den Coding Herausforderungen ermöglicht. Teilnehmende HTLs können jedoch auch eigene Leiterplatinen (PCBs) nach dem Vorbild unseres EDU Moduls bestücken. Da der CubeSat Open-Source sein wird, stehen alle Fertigungsunterlagen dann zur freien Verfügung. Zudem kann im Rahmen des Unterrichts eine eigene SatNOGS Bodenstation gebaut und genutzt werden, um selbst mit dem STS1 oder auch anderen Satelliten kommunizieren zu können. Alle möglichen Aufgaben sind als einzelne nicht zusammenhängende Module gedacht, da alle Teilaspekte zusammen in einem Schuljahr schwer unterzubringen wären. Den Schulen bleibt also die Handlungsfreiheit, nach eigenem Ermessen die sinnvollsten Aufgaben zu wählen und umzusetzen.

Die STS1 Mission ist nicht das erste Educational Projekt des TU Wien Space Teams. Wir arbeiten mit dem European Space Education Resource Office (ESERO) schon für den CanSat Wettbewerb lange zusammen. Wir hoffen, mit dem STS1 die Thematik Weltall und Raumfahrt, die allgemein noch unantastbar wirken, jungen Mensch näherzubringen. In der folgenden Darstellung sind die einzelnen Educational Objectives auf die verschiedenen Themenbereiche aufgesplittet.

System Architektur

Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten der CubeSat Mission vorgestellt. Dieser Teil wird regelmäßig aktualisiert und somit findet sich hier immer der aktuelle Stand der Entwicklungen (Last update: March 2023).

Die drei wichtigsten Subsysteme an Bord von STS1 sind das Electrical Power System (EPS), der Communication module and On-board Computer (COBC) sowie das Education Modul (EDU). Das EPS ist für die Stromerzeugung und -verteilung zuständig. Der COBC ist die Hauptverarbeitungs- und Scheduling-Einheit des CubeSat und übernimmt auch die RF-Kommunikation. Das EDU führt die Software Experimente aus, die von den einzelnen Schülerteams bereitgestellt werden. Dazu ist dieses Modul mit einem Raspberry Pi und mehreren Sensoren, darunter zwei Kameras, ausgestattet.

Die obige Abbildung zeigt die grundlegende Systemarchitektur des CubeSat und der zugehörigen Bodeninfrastruktur. Das Antennensystem (ANT) dient der Kommunikation mit dem COBC, dass das RF Modul zum Empfangen und Senden von Daten enthält. Die Solarzellen (SC) sind direkt mit dem EPS verbunden und dienen der Gewinnung elektrischer Energie. Die Bodenstation (GS) kann von jedem PC auf der Erde über das Internet erreicht werden. Das Umbilical Cord Interface (UCI) ermöglicht es uns, nach dem Zusammenbau des CubeSat den COBC neu zu programmieren und die Batterien zu laden. Die Deployment Switches (DS) und der Remove-Before-Flight-Pin (RBF) sorgen dafür, dass der CubeSat in der sicher gelagerten Konfiguration (z.B. im Chassis der Trägerrakete oder im Extraktor der Internationalen Raumstation (ISS)) nicht mit Strom versorgt wird. Innerhalb des EDU Moduls kann das Kameramodul (CAM) Bildaufnahmebefehle empfangen. Es wird ein passives Detumbling System verwendet, welches mittels zweier Hysteresis Rods in der X und Y Achse die Rotation verringert. Zusätzlich wird ein Permanentmagnet in der Z Achse eingebaut, welcher diese Achse des Satelliten mit dem Magnetfeld der Erde ausrichtet.

Electrical Power System – EPS

Das Electrical Power System (EPS) ist für die kontinuierliche Erzeugung und Bereitstellung von elektrischer Energie auf einem einzigen, ungeregelten Spannungslevel verantwortlich. Die Energiegewinnung erfolgt ausschließlich über Solarzellen. Überschüssige Energie wird in Batterien gespeichert, um den Satelliten auch in Abschnitten des Orbits ohne Lichteinfall weiter mit Strom versorgen zu können. Das EPS enthält auch Sicherheitsfunktionen auf Systemebene, wie den Remove-Before-Flight-Pin (RBF), die Deployment Switches (DS) und einen Deployment Timer (DT). Alle diese Funktionen sollen eine vorzeitige Aktivierung verhindern, während der CubeSat noch auf der Trägerrakete montiert ist. Housekeeping-Daten wie Batteriespannung, Batterietemperatur usw. werden vom EPS gesammelt und dem COBC über eine Housekeeping-Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt. Zudem wird auf dem EPS der Release-Mechanismus der Antennen realisiert.

Communication and On-board Computer – COBC

Der Communication and On-board Computer (COBC) des CubeSats STS1 vereint zwei klassische Subsysteme. Diese sind Schlüsselkomponenten jeder Satellitenmission: das Kommunikationsmodul (COM) und der On-board Computer (OBC). Das COM ist für das Empfangen und Senden von Daten zuständig und der OBC plant und organisiert alle Aktivitäten des CubeSats. Dadurch fungiert der OBC als Master der CubeSat-Plattform, indem er den Speicherzugriff verwaltet und auch die Education Unit (EDU) betreibt und verwaltet. Die Microcontroller Unit (MCU) ist das Herzstück des COBCs und steuert den gesamten Datenfluss, sowie Kommandos an Bord des CubeSats. Wir verwenden hierfür einen STM32F411RE (kurz STM32) auf dem Rodos als Betriebssystem läuft. Der STM32 in Kombination mit Rodos analysiert eingehende und ausgehende Daten, die von und zum Funkmodul geleitet werden. Außerdem verwaltet der STM32 alle Datenzugriffe – Lesen, Schreiben und Löschen – auf den externen Flash- und FRAM-Speicher und ist für den Datenaustausch mit der EDU zuständig. Der Flash hat begrenzte Schreibzyklen, aber die größte Kapazität. Auf ihm ist deshalb ein speziell auf Flash-Speicher ausgelegtes Dateisystem zum Zwischenspeichern der Schülerprogramme und deren Resultate aufgesetzt. Komplementär dazu ist der FRAM beliebig oft beschreibbar, bei geringerer Speicherkapazität. Er ist daher prädestiniert zum Ablegen kleinerer Datenmengen, die sich häufig ändern, wie z.B. die Telemetriedaten, welche den aktuellen Zustand des CubeSats beschreiben. Das Funkmodul besteht aus einem SiLabs Chip, sowie einer Ausgangsstufe. Für die Kommunikation verwenden wir den Silabs Si4463 IC in Kombination mit einem LNA für eine hohe Empfängerempfindlichkeit und einem 2W Leistungsverstärker für den Downlink. Wir verwenden (G)FSK mit Bitraten zwischen 2400 und 115200 Baud, wobei das tatsächliche Maximum von den realen Bedingungen abhängt.
Der Protokollstapel basiert auf dem CCSDS-Telemetrie/Telekommando-Protokollstapel mit einem sehr robusten Kanalcodierungs- und Vorwärtsfehlerkorrekturschema.

Die gesamte Elektronik des COBCs wird durch einen Gleichspannungswandler versorgt, der die Spannung von der EPS zur Verfügung stellt. Diese Implementierung ist notwendig, da zwei verschiedene Spannungsbereiche (3,3 V und 5 V) für den Betrieb benötigt werden. Zudem muss gewährleistet sein, dass die Bauteile durch eine möglichst konstante Spannung versorgt werden.

Educational Module – EDU

Das Education Module (EDU) ist die Plattform, auf der die Schülerinnen und Schüler ihre Softwareexperimente durchführen werden. Es besteht aus einem Raspberry Pi, der Zugriff auf verschiedene Sensoren, darunter zwei Kameras, hat. Die erzeugten (und verarbeiteten) Daten können über einen Befehl heruntergeladen werden. Nach erfolgreichem Download werden die Daten verarbeitet und an die Schülerteams zur Analyse übergeben.

Das EDU Modul verwendet die beliebte Raspberry Pi Plattform. Dies soll die Einstiegshürde sowohl für LehrerInnen als auch für SchülerInnen senken, da viele Ressourcen für die Plattform frei im Internet verfügbar sind und einige TeilnehmerInnen bereits mit der Plattform vertraut sind. Darüber hinaus werden wir versuchen, das Programmieren so zugänglich wie möglich zu halten, indem wir Workshops veranstalten und Software-Bibliotheken für die gängigsten Operationen (z.B. Sensoren auslesen, Datenverarbeitung, etc.) auf dem EDU Modul bereitstellen. Darüber hinaus wird die Raspberry Pi Plattform den Schülern ermöglichen, ihre eigenen Softwareexperimente in Python zu programmieren, was heutzutage eine der beliebtesten Programmiersprachen ist (siehe: https://www.tiobe.com/tiobe-index//), insbesondere für Trendbereiche wie Data Science oder Machine Learning.

Folgende Sensoren werden derzeit für das EDU in Betracht gezogen: Temperatursensor, Magnetfeldsensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskope, GNSS-Empfänger, Kameras, Dehnungsmessstreifen, Helligkeitssensoren und ein Strahlungssensor. Mögliche Experimente mit diesen Sensoren sind z.B. die Bestimmung der Sonnenaktivität über mehrere Stunden oder auch das Erkennen von Wolken über dem Atlantik. Die Studenten, die an der STS1 Bildungsmission teilnehmen, werden praktische Erfahrungen beim Schreiben von tatsächlicher Weltraumsoftware sammeln, was ihre Fähigkeiten zur Problemlösung und Teamarbeit fördern wird. Die gesamte Mission wird in Form eines Wettbewerbs abgehalten, bei dem wir uns die Unterstützung österreichischer Raumfahrtunternehmen und Weltraumprominenz für die Ehrung der Siegerteams erhoffen.

Ground Station und SatNOGS

Unsere primäre Ground Station (GS) basiert auf dem rotierbaren GS-Design des SatNOGS Projekts. Wir haben das Design um Sendefähigkeit erweitert, um bidirektionale Kommunikation mit unserem CubeSat zu ermöglichen.

Derzeit befindet sich die Anlage auf dem Dach des Instituts für Telekommunikation der TU Wien und wir planen, diese in Kürze in Betrieb zu nehmen.

Das SatNOGS Projekt ermöglicht uns hier einerseits, auf einer durchdachten Softwarebasis aufzubauen und andererseits, unsere Downlink-Kapazität mit Hilfe des großen Netzwerks an Bodenstationen signifikant zu erweitern.

Die SatNOGS-Basis erlaubt uns weiters, auch das Thema Ground Stations in unser Educational Missionsziel einzubinden, da Schüler (wenn gewünscht mit unserer Unterstützung) ihre eigene Bodenstation bauen können, mit der sie Daten von unserem CubeSat (potentiell sogar von ihrer eigenen Software auf dem Satelliten) und vielen anderen Objekten in einem Erdorbit (von anderen kleinen CubeSats bis hin zur ISS) empfangen könnten.

Hierfür gibt es sehr einfach aufzubauende Designs, um den Schülern das Thema möglichst einfach näher zu bringen, die später bis hin zu voll drehbaren Bodenstationen mit gerichteten Antennen ausgebaut werden können.

Team

Raphael Behrle – Project leader, System architecture
David Wagner – Technical project leader, System architecture
Patrick Kappl – System architecture, COBC software
Thomas Ranner – GS
Jakob Riepler – COBC, RF communication
Peter Kremsner – COBC, RF communication
Andriy Smolyanyuk – COBC
Jerome Hue – COBC software
Daniel Schloms – COBC software
Jithin Njondimackal – COBC sotware
David Freismuth – EPS, System architecture
Stefan Lie-Ungurean – CubeSat integration, EPS
Stefan Galavics – EDU
Simon Köfinger – EDU
Florian Guggi – EDU software
Joseph Lucero – EDU software
Tim Munhowen – Mechanics (Structure, GS)

Former members:
Thomas Hirschbüchler – System architecture
Marina Ivankovic – EDU
Billal Teiba – EDU software
Jan Pac – EDU, Software
Paul Schmitt – PR, Software
Fabian Kresse – Software
Chrysostomos Siegl – FlatSat, EPS
Benjamin Geislinger – Mechanics
Simon Klaus – COBC
Gera Kozhakhmetova – PR, Social Media
Alexander Hartl – EPS
Marianne Röchling – COBC software
Christoph Müllner – Mechanics