Selbstorganisierte Formation

Sensornetze aus Satelliten

26. Mai 2020, 11:15 Uhr   |  Nicole Wörner

Sensornetze aus Satelliten
© Zentrum für Telematik Würzburg

NetSat: Vier Kleinst-Satelliten mit den Abmessungen 10 cm x 10 cm x 30 cm im Formationsflug in einer Umlaufbahn in 600 Kilometer Höhe.

An der Julius-Maximilians-Universität Würzburg werden aktuell vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die Bildinformationen kombinieren. Die dafür nötigen Techniken zur optimalen Selbstorganisation einer Satellitenformation im dreidimensionalen Raum werden nun erstmals mit vier Kleinst-Satelliten erprobt.

»Das eröffnet neue Perspektiven für die Erdbeobachtung und die Klimaforschung, aber auch für künftige Kommunikationsnetze«, sagt Professor Klaus Schilling, Leiter des Lehrstuhls für Informatik VII (Robotik und Telematik) der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Er hat die Satelliten mit seinem Team entwickelt; unterstützt wurde er von der Europäischen Union mit dem ERC Grant NetSat.

Letzter Schliff am Zentrum für Telematik

Die vier Kleinst-Satelliten wiegen jeweils nur vier Kilogramm. Am Zentrum für Telematik in Würzburg erhalten sie bis Ende Mai 2020 den letzten Schliff; voraussichtlich im August 2020 werden sie dann mit einer russischen Soyuz-Rakete in ihre Umlaufbahn in 600 Kilometer Höhe befördert. Die langfristige Aufgabenplanung wird dann von der Einsatzzentrale in Würzburg aus durchgeführt. Dagegen erfolgen die Reaktionen auf Abweichungen vom Plan und die Feinjustierung der Formation autonom durch die Software an Bord.

Was die Kleinst-Satelliten auszeichnet

»Techniken zum Formationsflug wurden bisher nur mit zwei Satelliten untersucht«, erklärt Schilling. NetSat solle nun wissenschaftliche Durchbrüche bei den nötigen Techniken der Kontrolle einer dreidimensionalen Anordnung für optimale Beobachtungen erzielen. Dafür haben die Satelliten einen sehr effizienten Elektroantrieb, hergestellt von der österreichischen Firma Enpulsion. Hinzu kommen hochgenaue Ausrichtungsmöglichkeiten mit extrem kleinen Präzisions-Reaktionsrädern, die von den Unternehmen S4 – Smart Small Satellite Systems und Wittenstein Cyber Motors stammen. Die Funkverbindung zwischen den Satelliten ermöglicht einen Datenaustausch zu Position, Ausrichtung und geplanten Manövern. »In Kombination mit fortgeschrittenen Kontrollmethoden kann so die Koordination dieses Vierer-Teams realisiert werden«, sagt der JMU-Professor.

Hintergrund der NetSat-Mission

Die NetSat-Mission wurde durch einen renommierten Preis des Europäischen Forschungsrates (ERC) und die Unterstützung des Bayerischen Wirtschaftsministeriums ermöglicht. Professor Schilling hatte den mit 2,5 Millionen Euro dotierten ERC Advanced Grant 2012 erhalten, um wissenschaftliche Durchbrüche im Bereich Kontrolltechnik und Raumfahrt zu erzielen.
Zur Realisierung von NetSat wurde das unabhängige Forschungsinstitut „Zentrum für Telematik (ZfT)“ in Würzburg ausgewählt, weil es eine europaweit herausragende Test-Infrastruktur für Multi-Satelliten-Systeme besitzt. An der JMU werden die NetSat-Satelliten auch für Experimente zum Multi-Satellitenbetrieb genutzt.

Ergebnisse werden gleich weiterverwendet

Die NetSat-Ergebnisse fließen direkt in die nächsten Würzburger Kleinst-Satellitenmissionen für innovative Anwendungen in der Erdbeobachtung ein: TIM – Telematics International Mission: Das ZfT und die JMU koordinieren Partner aus fünf Kontinenten, um mit neun Satelliten eine innovative 3D-Erdbeobachtung für Vulkanausbrüche, Erdbeben und Schiffsbewegungen zu realisieren.

Die Mission startet 2021. Sie läuft im Rahmen des Regional Leaders Summit (RLS), eines Netzwerks der Regionen Bayern, Oberösterreich, Georgia (USA), Québec (Kanada), São Paulo (Brasilien), Shandong (China) und Western Cape (Südafrika). 

CloudCT

Ab 2022 wird die Selbstorganisation von zehn Kleinst-Satelliten genutzt, um mit Computertomographie-Methoden das Innere von Wolken zu charakterisieren. So sollen wichtige, bisher noch nicht erfasste Parameter für Klimamodelle gewonnen werden. Der Europäische Forschungsrat fördert dieses Vorhaben mit einem ERC Synergy Grant von 14 Millionen Euro; daran beteiligt sind Forschungspartner aus Israel. 

»Die spannende Weiternutzung der NetSat-Ergebnisse ist somit garantiert«, freut sich Schilling. »Die Kleinst-Satelliten-Messnetze im Orbit können rasch bessere Entscheidungsgrundlagen für Notfallsituationen und für Herausforderungen wie den Klimawandel bereitstellen.«

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