Universität Stuttgart. INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEME

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1 er Kleinsatellit Flying Laptop Prof. Dr. Hans-Peter Röser Dienstag, 02. Mai 2006, 17:30 19:00 19:00 Uhr Hörsaal V27.02, Pfaffenwaldring 27 Andere träumen - er Studenten bauen!

2 ERSTER SPRUNG IN DEN WELTRAUM 03. OKTOBER 1942 A4-START PEENEMÜNDE MACH 5 HÖHE: 84.5 km REICHWEITE: km STARTGEWICHT: ~ 14 t A4 V2

3 ERSTER KÜNSTLICHER SATELLIT 04. OKTOBER 1957 ORBIT HÖHE: MASSE: GRÖSSE: LEBENSZEIT: SENDER: 229 km / 946 km 83.6 kg KUGEL Ø 58 cm 21 TAGE 20 MHz / 40 MHz SPUTNIK 1

4 Beginn des Satellitenzeitalters Sputnik ,6 kg 229 km / 940 km 1.Satellit, Kugel 58cm Sputnik ,3 kg 229 km / km Hund Laika Explorer ,2 kg 341 km / km Entdeckung Van-Allan-Belt Vanguard ,5 kg 658 km / km Geophysik Sputnik kg 217 km / km Geophysik Vostok Erdumlauf 108 min Juri Gagarin Merkur-Redstone Ballistisch 15 min Alan Sheppard Telstar kg 954 km / km 1. Kommerzieller TV-Sat, AT&T, NASA, 7 Monate Lebensdauer Azur kg 385 km / 3146 km 1. deutscher Satellit

5 2.170 Satelliten in UDSSR + Partner = USA + Partner = 763 Andere 35

6 UMLAUFBAHNEN VON SATELLITEN LEO: GEO: km km

7 ~700 km

8 IN SYMBIOSE MIT GROSSEN SATELLITEN MIT KOMPLEMENTÄREN AUFGABEN DLR-TUBSAT 0.35m x 0.35m x 0.35m 42 kg GRACE 3m x 1.9m x 0.7m 487 kg ENVISAT 10m x 5m x 26m 8200 kg

9 Neue Technologien Pentium 4 Handy UMTS GPS GIS SiC, AlN, HTS Neuronale Netze Mikroelektronik & Miniaturisierung Nanotechnik Digitalisierung Globale Kommunikation & Navigation Neue Werkstoffe Kleinsatelliten als technologische Wunderpakete

10 Marktlücke für Kleinsatelliten I 1) Kurze Entwicklungszeit 1-3a 2) Geringe Einzelkosten k /kg 1Mio 10 Mio pro Satellit 3) Viele kleine Satelliten anstatt eines großen Satelliten Kurzfristige Erprobung neuester Technologien (1+2) Hohe Wiederholrate / Überflug in kurzen zeitlichen Abständen (3) Schnelle Reaktionszeiten: - bei unvorhergesehenen Problemen / neuen Aufgaben - bei Ausfall eines Instrumentes bei großen Satelliten - für Wiederholung besonderer Aufgaben (1) Risikostreuung (3)

11 Marktlücke für Kleinsatelliten II 4) Ideale Ausbildungsprojekte (Gesamtsystemüberblick & Subsysteme in kurzer Projektlaufzeit) 5) Attraktive Projekte mit hohem Identifizierungspotenzial 6) Raumfahrtqualifizierung von Software & neuen Technologien ohne Gefährdung Anderer Risikominderung für große Satelliten 7) Inspektionsaufgaben [mit elektrischen Antrieben] 8) Erprobung: Interferometerprinzip & Formationsflüge

12 MOTIVATION FÜR LEHRE UND AUSBILDUNG Studenten Projekte & Vorlesungen 10 Jahresprogramm mit Industrie & Nutzer Wir suchen die besten Studenten für Raumfahrttechnik und Anwendungen >>700 Bewerbungen/a Wir bieten kleine und große Projekte 6. Semester in vielen Disziplinen: Konzepte + Studien von kleinen Missionen mit limitierten Ressourcen Entwicklung von kompletten Satelliten Start Erfahrung Operation und Bodenstation Beobachtungen und Space Experimenten Datenanalyse Kalibration & Validation Gelegenheit für: Team Work Soft Skills intl. Kooperationen Project Management Kombination von Studenten Projekten & Lehre erzeugt einen sehr hohen Lerneffekt Erfolgreiche Studenten haben exzellente Berufsaussichten!!!! DLR-TUBSAT BIRD

13 Forschung: Kleinsatelliten Missionen 1. Labormodell 1 (ILSE) (voll funktionstüchtig + Telemetrie) IRS Bodenstation [VHF, UHF, L, S, Ka] (S-Band in Betrieb) Flying Laptop (Rent-a-Sat + Softwaretest im Weltraum + Ka-Band) 2007/08 4. Perseus (Space Angel) (Test elektr. Antrieb + Experimente mit Rent-a-Sat) 2008/09 5. Lunar Mission BW1 (Prototyp/Start) 2007/ CERMIT/DESIRE (Demonstrator Satellit Wiedereintrittsexperimente) 2009/ UAV mit Erderkundungsinstrumenten (erster Testflug) 2007 Missionskonzept Satellitenbus Antriebe Payload/Instrum. Missionsbetrieb Erderkundung Astronomie Auswertung Studentenprojekte Intl. Kooperation

14 IRS-StW SATELLITEN BODENSTATION VHF: 140 MHz Band ok UHF: / MHz Band ok L-Band: ~1.5 GHz ok S-Band: 2 GHz (Ø 2.6 m) in Betrieb 2006 Ka-Band: 20/30 GHz (Ø 3.0 m) im Aufbau in East North 500 m über Meer

15 17 Infrastruktur, 11. Feb Kontrollzentrum 17 Satellitenvorraum Vakuum Kammer (Thermal + Vakuum) Satelliten Integrations-Labor Institute of Space Systems, S-Band Antenne

16 STARTMÖGLICHKEITEN Wer nimmt meinen Satelliten mit? Mit wem darf ich starten? Was kostet der Start? Wer bezahlt den Start? Gibt es Ausfuhrbeschränkungen? Wie stark sind die Sicherheitsauflagen? Welche Genehmigungen braucht man?

17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Weltraumsensorik, Berlin-Adlershof Technische Berlin Institut für Luft- und Raumfahrt Doktoranden Stefan Schulz und Marc Steckling

18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Weltraumsensorik, Berlin-Adlershof Technische Berlin Institut für Luft- und Raumfahrt DLR-TUBSAT als Piggy-Back neben Großsatellit IRS-P4 22. April 1999

19 Etna, Sicilia

20 STUTTGARTER KLEINSATELLIT FLYING LAPTOP Enge Kooperation mit vielen Partnern Finanzierung Uni Land Baden-Württemberg + finanzielle und materielle Beistellungen der Partner Industrieprodukte werden Raumfahrt qualifiziert Studenten dürfen am Satelliten arbeiten!!!!

21 Sebastian Walz Scientific Payload of the small satellite Flying Laptop Albert Falke Systemsimulation and Verification of a micro-satellite Michael Lengowski Mechanical Design of a Microsatellite for an University Mission Uwe Putze Instrumentation of a remote controlled small aircraft for earth observation René Laufer Lunar Mission BW1: Scientific Objectives and Small Satellite Concept Georg Grillmayer A FPGA based Attitude Control System for the Micro-Satellite Flying Laptop Toshinori Kuwahara System Design of Small-Satellite Flying Laptop Yasir Muhammad High Precision Attitude Determination and Control for Small Satellites Marc Schwarzbach Construction and Test of a Device for Measuring the Bi-directional Reflectance Distribution Function NN Preparation and realisation of three-level-experiments for measuring the bi-directional reflection coefficient NN Experimental measurements to study the Ka-band backscattering sections of different surfaces Status Doktoranden Programm April 2006

22 TECHNOLOGIE STUTTGART RENT-A-SAT FLYING LAPTOP S + K A + K U - Band System RG-NIR-TIR Kameras Down-link: 2,2 GHz / GHz (2 o Beam) Up-link: 2,0 GHz / 30 GHz Down/Up: UHF / (VHF) Polar Orbit / ~700 km / Sun Synchron / 2007/08 TIR Kamera (9,3-9,7 Blocking) mit GSD 50 m RG(B)-NIR Kamera mit GSD 25 m 20 GHz Radar 60 W Ø Fläche 25 km Internet Kommunikation & Server Breitband Kommunikation 500 Mbit/s Target Pointing Loadable CPU / FPGA Test von neuen Technologien Größe: 62 x 62 x 55 cm 3 Maximum Power: ~300 W STANDARD: PPC Core High Speed Speicher: 4x1 MBx36 SSRAM Telemetrie Speicher: 128 MByte Mass Memory: 1 GByte EXPERIMENT: REKONFIGURATION 64 MByte FLASH 128 MByte DDR-RAM (Re-) Loadable CPU Core in FPGA/OBC Completely usable by customer Realtime Operating System Experimental Mission

23 Flying Laptop Viele Komponenten und sonstige Beiträge kommen von Partnern

24 Nutzlast Instrumente des Flying Laptop 26 Panorama Camera, 11. Feb TICS (Thermal Infrared Camera System) MICS (Multi-spectral Imaging Camera System) Institute of Space Systems,

25 3 Kameras RG-NIR 25m/25km* Feed Horns Ku-/Ka-Band Hauptspiegel Ø 50 cm Strahlteiler TIR Kamera 50m/16km* Tunable Ka-Band TWT *GSD/Schwad Panorama Kamera 200m/250km*

26 Bodenspur des Flying Laptop 28, 11. Feb km 200 km Institute of Space Systems,

27 Aufnahmen der Erdoberfläche Beispiel: RGB Landsat-TM 5 GottliebDaimler Stadion V27.02 Flughafen

28 Aufnahmen der Erdoberfläche TM Landsat Schwad: ~ 185 km 7 Spektralbänder Abmessungen des Instruments: 2.0 m x 1.1 m x 0.7m Gewicht: 258 kg Power: 385 W TM 5 arbeitet operationell seit 1982! Flying Laptop Schwad: ~ 16 km 5 Spektralbänder

29

30 STUTTGART Antennenempfangskreis

31 Naturwissenschaftliche Forschung Fernerkundung mit dem Flying Laptop Aufnahmen der Erdoberfläche im sichtbaren und nahen infraroten und thermischen Spektralbereich Messung der winkelabhängigen Reflexion natürlicher Oberflächen Datensammlung zur Schwächung der Ka-Band Frequenzen im mitteleuropäischen Raum Demonstration eines neuen Verfahrens zur Bestimmung der Regenrate INSTITUT FÜR FÜR RAUMFAHRTSYSTEME RAUMFAHRTSYSTEME INSTITUT

32 RAUMFAHRTSYSTEME FÜR DIE ERDFERNERKUNDUNG ZUR UNTERSUCHUNG Bewilligt 3,6 Millionen DER WECHSELWIRKUNG ATMOSPHÄRE ERDOBERFLÄCHE HBFG Antrag Präsentation 28. März 2006 SPACE SYSTEMS FOR REMOTE SENSING FOR THE INVESTIGATION OF THE ATMOSPHERE EARTH SURFACE INTERACTION Proposal Okt. 2005

33 Wir sind hier UAV Spannweite 4,3 m Ähnliche Instrumente wie im Flying Laptop RG+NIR / TIR 10 cm / 30 cm Schwad >100 m

34 BRF with UAV Spatial resection: for the exact fixing of the camera position (X 0,Y 0,Z 0 ) and camera attitude (3 angles). For solving we need control points and the equations of collinearity.

35 3 ETAGEN EXPERIMENT Gleicher Spektralbereich wie im Flying Laptop

36 Messung der bi-direktionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) Was ist BRDF? Bi-directional Reflectance Distribution Function Abhängigkeit von Sonnen- und Beobachterposition

37 Anschauung: Bi-direktionaler Reflexionseffekt von Gras Zenitwinkel der Sonne: 35 Beobachterposition Quelle: http.//geo.unizh.ch/rsl/research

38 Was beeinflusst die BRDF? isotrope Streuung Geometrische Optik: Schatten, Lücken Volumenstreuung FOV Satelliten

39 Gerät zur Messung der BRDF 5 m über dem Boden Von einer CCD- Zeile aufgenommene Bodenelemente Messung durch das Mittenpixel der CCD-Zeile

40 Messung der BRDF mit dem er Adler φ Target

41 BRF Messungen im Target Pointing Mode Orbit altitude: 600 km Max slew rate for target pointing: 1 /s (20 % margin) Slew rate non linear vs. time Pointing Genauigkeit = ±150 arcsec (±20 pixels) Pointing Kenntnis = ± 7 arcsec (± 1pixel) GSD VIS/NIR = 25 m swath = 25 km GSD TIR = 50 m swath = 16 km Testgebiet: Querfurter Platte (nahe Halle/Saale) field sizes 10 km² flat homogeneous loamy loss soil

42 Target Pointing Mode

43 Nutzung der KA-Bandstrecke Ka-Band: zunehmende Nutzung für die Kommunikation hohe Bandbreiten große Datenraten Nutzung des Ka- Bandes für wissenschaftliche Untersuchungen Datensammlung zur atmosphärischen Schwächung Bestimmung von Spurengasen Demonstration einer Methode zur Regenbestimmung

44 Beeinflussung der Ausbreitung des Ka-Bandes durch die Atmosphäre Datensammlung Atmosphärenuntersuchungen INSTITUT FÜR

45 Horizontaler Link: Differenz der Schwächung zwischen 13.9 GHz und 22.9 GHz Quelle: A. R. Rahimi, A. R. Holt, G. J. G. Upton, R. J. Cumminggs; Department of Mathematics, University Essex; UK

46 Target Pointing Mode 20 GHz TWT ~60 W cw Ka-Band Surface Reflection Experiment (SURE) ~700 km 2 0 Beam 20 GHz RX ~200 m ~25 m Ground Pixel ~25 km

47 Prof. Dr. Hans-Peter Röser: Systeme & Anwendungen Multispektrale Erdfernerkundung Modellflugzeug 3 Etagen Experiment Kleinsatellit Instrumente & Technologien TIR Kamera GSD 50 m RG+NIR Kamera GSD 25 m 20 GHz Radar GSD 25 km Internet Kommunikation Ka-Band 500 Mbit/s Target Pointing Loadable CPU / FPGA BRDF Messungen Validierung Kalibration Masse: ~200 kg Nutzlast: ~15% ~ 1 x 1 x 1 m 3 / ~ 1 kw S- und Ka-Band TM/TC 1m Antenne Arcjet + PPT-Cluster Forschungsprogramme Studentenausbildung Reale Missionen

48 Flying Laptop als Vorbereitung für er Mond Mission Modell des Mondsatelliten im Maßstab 1:1

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