SpaceTeamSat1 (STS1) ist das aktuelle CubeSat Projekt des TU Wien Space Teams. 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 und präsentiert werden. Ein wichtiger Aspekt ist hier auch, dass die Schülerteams den gesamten Prozess der Datenkommunikation kennenlernen. Dazu wird ein Mission Control Center beim TU Wien Space Team aufgebaut, dass dann die aktuellsten Daten, 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. Dazu wurde bereits eine strukturierte Dokumentations- und Reviewkultur eingeführt.

 

Haupteigenschaften der CubeSat Mission SpaceTeamSat1:

  • 1U (10 x 10 x 10 cm³ und max. 1.33 kg) CubeSat Plattform
  • STS1 soll in einem Low Earth Orbit (LEO ~ 350 – 500 km) betrieben werden
  • STS1 soll ein Live-Labor für Schülerinnen und Schüler der AHS und BHS sein
  • STS1 soll die Amateurfunk Community ansprechen und das Thema in die Klassenräume bringen
  • Educational Mission Objectives:
    • Schülerteams messen sich in einem Space Wettebewerb
    • 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 präsentieren ihre Resultate und lernen dadurch auch viel über Weltraumtechnologien
  • Die Educational Payload beinhaltet folgende Sensoren:
    • Temperatursensoren
    • Magnetfeldsensoren
    • Beschleunigungssensoren
    • Gyroskope
    • Strahlungssensor
    • GNSS-Empfänger
    • Dehnungsmessstreifen
    • Photodetektoren
    • Kameras

Im August 2020 fand der KickOff-Workshop statt, in dem das Leitbild und die Ziele der Mission definiert wurden. Das Mission Statement 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 selbstentwickelten 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

Primäre Missionsziele

  • Einen funktionierenden CubeSat zu entwickeln und fertigen
  • Den Betrieb unseres selbstentwickelten CubeSats zu gewährleisten
  • Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit geben ihre selbstentwickelte Software auf einem CubeSat laufen zu lassen
  • 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

 

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 (Derzeit: April 2021).

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 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, das 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 vom EPS betrieben werden. 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.

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 von dem EPS gesammelt und dem COBC über eine Housekeeping-Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt.

 

Communication and On-board Computer – COBC

Der Communication and On-board Computer (COBC) des CubeSat STS1 vereint zwei klassische Subsysteme, die Schlüsselkomponenten in jeder Satellitenmission sind: das Kommunikationsmodul (COM) und den On-board Computer (OBC). Das COM ist für das Empfangenen und Senden von Daten zuständig und der OBC plant und reguliert hauptsächlich alle Aktivitäten auf dem CubeSat. Zusätzlich fungiert der OBC als Master der CubeSat Plattform, indem er den Speicherzugriff verwaltet und das EDU betreibt. Die Microcontroller Unit (MCU) ist das Herzstück des COBC und steuert den gesamten Datenfluss an Bord des CubeSat. Das bedeutet, dass eingehende Daten analysiert und ausgehende Daten von und zum RF-Modul vorbereitet werden. Außerdem verwaltet die MCU alle Datenzugriffe – Lesen, Schreiben und Löschen – auf die externen Speicher und sie ist für den Datenaustausch mit dem EDU Modul zuständig.

 

Educational Module – EDU

Das Education Module (EDU) ist die Plattform, auf der die Schülerinnen und Schüler ihre Software-Experimente 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. Der CubeSat ist so konzipiert, dass das EDU Modul eine unabhängige Nutzlast ist, d.h. der CubeSat ist auch ohne das EDU Modul oder bei einem kompletten Ausfall des Moduls voll funktionsfähig.

 

Das EDU Modul verwendet die beliebte Raspberry Pi Plattform. Dies wird die Einstiegshürde sowohl für LehrerInnen als auch für SchülerInnen senken, da viele Ressourcen über 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 Software Experimente 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. Daher wird jede Vertrautheit mit Python den Studenten in ihrer späteren akademischen oder beruflichen Laufbahn von großem Nutzen sein.

Folgende Sensoren werden derzeit für das EDU in Betracht gezogen: Temperatursensor, Magnetfeldsensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskope, GNSS-Empfänger, Kameras, Dehnungsmessstreifen, Helligkeitssensoren und ein Strahlungssensor. Mögliche Schülerexperimente mit diesen Sensoren sind z.B. die Kartierung der Strahlungsumgebung im niedrigen Erdorbit (LEO) oder die Bestimmung, wie schnell sich der CubeSat dreht. 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. Wir werden jedoch sicherstellen, dass alle teilnehmenden Schülerteams, nicht nur die Gewinnerteams, ihre Ziele erreichen werden.

 

Team

Raphael Böckle – Project leader, Electronics
David Wagner – Co-Project leader, System architecture
Patrick Kappl – System architecture, Software
Jakob Riepler – COBC
Thomas Hirschbüchler – COBC
Peter Kremsner – COBC
David Freismuth – EPS
Nikolas Thiel – EPS
Paul Schmitt – PR, Software
Fabian Kresse – Software
Daniel Schloms – Software
Jan Pac – EDU, Software
Sundas Syed – EDU
Benjamin Geislinger – Mechanics
Tim Munhowen – Mechanics
Patrick Silber – Legal