Quelle: TU Graz 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Am 18. Dezember 2019 war OPS-SAT vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ins All gestartet, in der Nacht vom 22. auf den 23. Mai 2024 ist der an der TU Graz gebaute und von der Europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Nanosatellit nun beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verglüht. Sein letztes Signal zur Erde sendete OPS-SAT beim Überfliegen von Australien. Es war das Ende einer überaus erfolgreichen Mission zur Erprobung neuer Konzepte und Technologien.

Um das Risiko für Missionen zu minimieren, setzen Raumfahrtorganisatoren wie die ESA üblicherweise auf erprobte Komponenten. OPS-SAT hingegen war ein Testlabor, auf dem die ESA ganz bewusst neue Betriebskonzepte und -technologien erprobte, um sie für zukünftige Missionen nutzen zu können. Die Ingenieure am Institut für Kommunikationsnetze und Satellitenkommunikation der TU Graz standen vor der Herausforderung, einen äußerst robusten und zugleich höchst leistungsfähigen Satelliten zu entwickeln. Dafür konfigurierten sie eine Vielzahl unterschiedlicher und mit aktuellster Hardware ausgestatteter Module, für deren Überwachung ein autonomes Sicherheitssystem sorgte, um sie im Bedarfsfall isolieren oder zurücksetzen zu können. Dieses Sicherheitssystem erlaubte es der ESA, ihren Satelliten auch Universitäten, Unternehmen und anderen Weltraumagenturen für Versuche unbürokratisch zur Verfügung zu stellen. In diesem Rahmen wurden insgesamt mehr als 250 wissenschaftliche Experimente von Fernerkundung bis Cybersecurity durchgeführt.

Pionier bei KI-Anwendungen im All
Der Nanosatellit verfügte über einen ausgesprochen leistungsfähigen Prozessor – die sogenannte Satellite Experimental Processing Platform (SEPP), die an der TU Graz in Kooperation mit UniTel IT entwickelt wurde und zahlreiche Anwendungen, darunter auch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz, direkt auf den Systemen des Satelliten ermöglichte. Dazu zählte beispielsweise der Einsatz generativer KI zur Verbesserung der Qualität von mit OPS-SAT aufgenommenen Bildern oder zur automatischen Erkennung und Verfolgung von Objekten auf der Erdoberfläche. Für seine herausragenden Erfolge wurde OPS-SAT im März 2023 als erstes ESA-Projekt überhaupt mit dem „International Space Ops Award for Outstanding Achievement“ ausgezeichnet und damit auch die Expertise der TU Graz im Bereich der Satellitenkonstruktion gewürdigt. Derzeit sind mit PRETTY und TUGSAT-1/BRITE-Austria zwei weitere Satelliten aus den Labors der TU Graz im Einsatz.

Neben relevanter Forschung diente OPS-SAT auch als Plattform für den ersten Aktienhandel im Weltraum und das erste Schachspiel im Orbit: Der Satellit spielte drei Partien gegen eine Online-Community, die über ihre Züge abstimmte. Die vierte Partie war noch nicht beendet, als OPS-SAT verglühte. Zudem war er der erste Satellit, auf dem das bekannte Computerspiel Doom gelaufen ist. Auch abseits von Börsengeschäften und Spielen konnte er viele Premieren für sich verbuchen. Eine Übersicht davon ist auf Wikipedia zu finden: https://en.wikipedia.org/wiki/OPS-SAT

Sogar in seinen letzten Tagen im Orbit hat der Satellit noch einen wichtigen Forschungsbeitrag geleistet. Über die UHF-Frequenz sendete er weiter Telemetriedaten, die der ESA dabei helfen, Atmosphären- und Ausbreitungsmodelle für niedrige Umlaufbahnen zu kalibrieren. Dadurch lassen sich Zeit und Ort von zukünftigen Wiedereintritten besser bestimmen. Neben dem eigenen European Space Operations Centre in Darmstadt bat die ESA dafür auch die Amateurfunk-Community um Hilfe, um so Daten während der gesamten Erdumrundung und nicht nur beim Überflug über Mitteleuropa sammeln zu können.

System im All rekonfiguriert
Ganz persönliche Erinnerungen an OPS-SAT hat Maximilian Henkel, der am Institut für Kommunikationsnetze und Satellitenkommunikation der TU Graz das Betriebssystem an die Erfordernisse der Mission und an die Prozessorplattform angepasst und erweitert hat. Besonders im Gedächtnis geblieben ist ihm der Anfang des Jahres 2021, als die Mission auf der Kippe stand, weil eine der beiden Prozessorplattformen nicht mehr funktionierte und die zweite Plattform einen defekten Hauptspeicher aufwies. „Damit waren beide redundanten Plattformen nicht mehr verwendbar, so dass wir eine In-Orbit-Reparatur vornehmen mussten. Da der eigentliche Hauptspeicher ein Hardware-Problem hatte, musste ich die Prozessorzugriffe auf den zweiten Hauptspeicher umlenken, der für diese Verwendung eigentlich nicht vorgesehen war. In dieser Konfiguration ist OPS-SAT dann bis zum Ende gelaufen. Ohne die wegen seines Einsatzzwecks vorgesehene Rekonfigurierbarkeit wäre das gar nicht möglich gewesen“, sagt Maximilian Henkel, der kürzlich seine Dissertation über Anwendungen rekonfigurierbarer Hardware am Beispiel von OPS-SAT fertiggestellt hat.

OPS-SAT im Detail:
OPS-SAT war ein sogenannter 3U Cubesat (10 cm x 10 cm x 30 cm) mit einem Gewicht von 4,6 Kilogramm, der die Erde ausgehend von seiner ursprünglichen Höhe von 515 Kilometern in seinen etwas mehr als 1600 Tagen im All rund 24.500-mal umrundete. Die ausklappbaren Solarzellen hatten eine Fläche von 30 cm x 50 cm und versorgten den Satelliten mit einer Leistung von bis zu 24 Watt. OPS-SAT kommunizierte mit Datenraten von bis zu 50 Mbit/s mit der Bodenstation in Darmstadt. Als Unterstützung während der Kommissionierungsphase in den ersten Wochen nach dem Start sowie während kritischer Phasen im nominellen Betrieb war zudem die UHF-Station und deren Kontrollzentrum am Campus Inffeldgasse der TU Graz im Einsatz. Die Kosten für den Satelliten und dessen Start betrugen rund 2,4 Millionen Euro.

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• CubeSats

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Quelle: Thales Alenia Space (25. April 2023) via Business Wire (26. April 2023).

Paris –(BUSINESS WIRE)– Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) lud Cybersicherheitsexperten aus der Raumfahrtindustrie dazu ein, den Betrieb des Demonstrations-Nanosatelliten OPS-SAT der Agentur zu stören. Die Teilnehmer setzten eine Reihe von ethischen Hacking-Techniken ein, um die Kontrolle über das System zur Steuerung des globalen Navigationssystems, des Lagesteuerungssystems^[1] und der Bordkamera der Nutzlast zu übernehmen. Ein unberechtigter Zugriff auf diese Systeme kann den Satelliten schwer beschädigen oder zu einem Verlust der Kontrolle über seine Mission führen. Bei dieser einzigartigen Übung arbeitete das Offensive Cybersecurity Team von Thales mit der Information Technology Security Evaluation Facility (ITSEF^[2]) der Unternehmensgruppe zusammen, die demonstrierte, wie entscheidend ein hohes Maß an Cyberresilienz in dem besonderen Betriebsumfeld des Weltraums ist.

Das vierköpfige Cybersecurity-Forschungsteam von Thales verschaffte sich Zugang zum Bordsystem des Satelliten, verwendete dabei Standard-Zugriffsrechte, um die Kontrolle über die Anwendungsumgebung zu erlangen, und nutzte dann mehrere Schwachstellen aus, um bösartigen Code in die Systeme des Satelliten einzuschleusen. Auf diese Weise gelang es, die zur Erde zurückgesendeten Daten zu kompromittieren – insbesondere durch die Manipulation der von der Satellitenkamera aufgenommenen Bilder – und andere Ziele zu erreichen, wie etwa die Maskierung ausgewählter geografischer Gebiete auf den Satellitenaufnahmen oder die Tarnung dieser Aktivitäten, um eine Entdeckung durch die ESA zu erschweren. Die Demonstration wurde speziell für CYSAT ermöglicht, um die potenziellen Auswirkungen eines echten Cyberangriffs und die Folgen für zivile Systeme bewerten zu können.

Während der Übung hatte die ESA Zugang zu den Systemen des Satelliten, um jederzeit die Kontrolle zu behalten und den Wechsel zum normalen Betrieb zu gewährleisten.

„Thales ist der ESA und den CYSAT-Organisatoren dankbar für die einmalige Gelegenheit, die Fähigkeiten unserer Experten zu demonstrieren, die Schwachstellen in einem Satellitensystem aufzudecken. Angesichts der steigenden Zahl militärischer und ziviler Anwendungen, die heute von Satellitensystemen abhängig sind, muss Cybersicherheit in jeder Phase des Lebenszyklus eines Satelliten berücksichtigt werden – vom ersten Entwurf bis hin zur Systementwicklung und -wartung. Diese einzigartige Übung hat dazu beigetragen, das Bewusstsein für potenzielle Sicherheitslücken und Schwachstellen zu schärfen, damit sie effektiver behoben werden können, und aktuelle und künftige Lösungen anzupassen, um die Cyberresilienz von Satelliten und Raumfahrtprogrammen, einschließlich Bodeninfrastruktur und Orbitalsystemen, zu verbessern.“ Pierre-Yves Jolivet, Vice President Cyber Solutions, Thales.

Im Rahmen einer Präsentation von Thales-Experten und Mitgliedern des ESA-Teams am 27. April können CYSAT-Teilnehmer mehr über das Angriffsszenario erfahren, das dieser ersten Demonstration offensiver Cybersicherheitstechniken, -taktiken und -verfahren zugrunde lag.

Cybersicherheit von Thales für die Raumfahrtindustrie
Thales bringt mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Cybersicherheit und der Raumfahrt mit und befolgt bei den Produkten, die das Unternehmen für Satellitenbetreiber und Raumfahrtorganisationen entwickelt, die Grundsätze der „Cybersicherheit durch Design“. Das Joint Venture mit Leonardo, Thales Alenia Space, entwickelt und vertreibt innovative Lösungen für Telekommunikation, Navigation, Erdbeobachtung, Umweltüberwachung, Weltraumerkundung, wissenschaftliche Forschung und Orbitalinfrastrukturen. Mit mehr als 3.500 Cybersicherheitsspezialisten trägt Thales dazu bei, die Sicherheit von Satellitensystemen für nationale und europäische Raumfahrtprogramme – insbesondere das europäische Satellitennavigationsprogramm Galileo – und auf internationaler Ebene zu gewährleisten. Mit seinem vereinten Know-how bei hochmodernen Satellitensystemen und Cybersicherheitslösungen, die modernste Militärtechnologien verwenden, bietet Thales Regierungen, Institutionen und Unternehmenskunden ein breites Spektrum an Cybersicherheitslösungen für einen zuverlässigen Schutz sämtlicher Komponenten eines Raumfahrtsystems. Die auf der CYSAT von Thales präsentierten offensiven Cybersicherheitsfähigkeiten helfen Kunden, gegenwärtige und künftige Bedrohungen besser zu antizipieren und auf diese zu reagieren. Die Cybersicherheitslösungen der Unternehmensgruppe für die Raumfahrtindustrie reichen von der Risiko- und Bedrohungsbewertung über Datenschutz und Netzwerksicherheit bis hin zur Erkennung und Bekämpfung von Sicherheitsvorfällen sowie der Sicherheitswartung während des gesamten Systemlebenszyklus.

Über Thales
Thales (Euronext Paris: HO) ist ein weltweit führendes High-Tech-Unternehmen in drei Bereichen: Verteidigung und Sicherheit, Luft- und Raumfahrt sowie digitale Identität und Sicherheit. Das Unternehmen entwickelt Produkte und Lösungen, die dazu beitragen, die Welt sicherer, umweltfreundlicher und integrativer zu machen. Die Gruppe investiert jährlich fast 4 Milliarden Euro in Forschung und Entwicklung, insbesondere in Kernbereiche wie Quantentechnologie, Edge Computing, 6G und Cybersicherheit. Mit 77.000 Mitarbeitern in 68 Ländern erwirtschaftete Thales im Jahr 2022 einen Umsatz von 17,6 Milliarden Euro.
(Bei diesen Angaben ist der Geschäftsbereich Transportation, der derzeit veräußert wird, nicht berücksichtigt.)

^[1] Die Lage eines Satelliten ist definiert durch seine relative Ausrichtung oder Position zu einem Bezugsrahmen, der in der Regel die Erde ist. Insbesondere beschreibt sie die dreidimensionale Ausrichtung des Satelliten in Bezug auf drei senkrecht zueinander stehende Achsen: Roll, Nick und Gier.
^[2] Eine ITSEF (Information Technology Security Evaluation Facility) ist eine vertrauenswürdige, unabhängige Organisation zur Prüfung der Produktsicherheit, die bei einer nationalen Zertifizierungsstelle (ANSSI in Frankreich) akkreditiert ist.

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• Thales Alenia Space

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Quelle: DLR 13. Juni 2022.

13. Juni 2022 – Zuverlässige und leistungsfähige Computer haben eine zentrale Rolle für die Raumfahrt: Computersysteme in Satelliten ermöglichen zum Beispiel anspruchsvolle Erdbeobachtungsmissionen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt eine neue Rechnerarchitektur, die den sogenannten On-Board-Computern (OBC) mehr Leistung verschaffen soll und sie auch in die Lage versetzt, sich selbst zu reparieren. Im Projekt ScOSA (Scalable On-Board Computing for Space Avionics) Flugexperiment entstehen verteilte heterogene OBC. Sie haben verschiedene Rechenknoten, die als Netzwerk verbunden sind.

Eine generelle Herausforderung für Computersysteme in Satelliten liegt darin, dass die kosmische Strahlung die Computer stören kann. „Wenn ein Strahlungspartikel durch einen Speicher fliegt, macht er dort vielleicht aus einer Null eine Eins“, erklärt Projektleiter Daniel Lüdtke vom DLR-Institut für Softwaretechnologie in Braunschweig. Letztlich kann das System sogar ausfallen oder falsche Ergebnisse liefern. Für die Raumfahrt gibt es deswegen strahlungsfeste Prozessoren. Diese sind aber sehr teuer und haben wenig Rechenleistung. Andererseits sind Prozessoren, wie sie zum Beispiel für Smartphones verwendet werden, sehr leistungsfähig und auch preisgünstiger. Sie sind allerdings deutlich anfälliger für die Weltraumstrahlung. ScOSA bringt beide Prozessortypen in einem System zusammen.

Probelauf auf der Testplattform OPS-SAT im erdnahen Orbit
Die Software erkennt Fehler und Ausfälle und kontrolliert den Rechner. „Dabei werden Programme, die auf einem fehlerhaften Prozessor laufen, automatisch über das Netzwerk an andere Prozessoren übertragen“, sagt Daniel Lüdtke. Der Satellit arbeitet unterdessen weiter. Anschließend startet die Software den Prozessor neu und bindet ihn wieder in das System ein.

Dass das funktioniert, hat jetzt ein Experiment auf dem Satelliten OPS-SAT der Europäischen Weltraumorganisation ESA gezeigt. „Der 30 x 10 x 10 Zentimeter kleine Satellit mit einem experimentellen Computer befindet sich seit Ende 2019 im erdnahen Orbit. OPS-SAT steht als voll ausgestattete offene Plattform Forschenden zur Verfügung“, erklärt Dave Evans, OPS-SAT Project Manager der ESA.

Die DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die ScOSA-Software zusammen mit der ESA auf OPS-SAT installiert und erfolgreich getestet. Der Satellit hat dazu Erdbeobachtungsbilder erstellt, sie mit künstlicher Intelligenz prozessiert und bewertet. Der Satellit überträgt danach nur die brauchbaren Bilder an eine Bodenstation. „Immer höher auflösende Sensoren und komplexe Algorithmen verlangen mehr und mehr Rechenleistung“, fasst Daniel Lüdtke die Anforderungen an Soft- und Hardware zusammen. Demnächst wird ein größeres ScOSA-System aus strahlungsfesten und handelsüblichen Prozessoren auf einem eigenen DLR-CubeSat getestet: Der Kleinsatellit soll voraussichtlich Ende kommenden Jahres in den Orbit starten.

Entwicklung von Software für Raumfahrtmissionen
Die Onboard Software Systems Gruppe des DLR-Instituts für Softwaretechnologie beteiligt sich an einer Reihe von nationalen und internationalen Raumfahrtmission. Ein zentrales Forschungsthema ist dabei die Entwicklung von fehlertoleranter und sogenannter resilienter Software, die auf Fehler und Ausfälle reagieren kann. Das ScOSA Flugexperiment Projekt ist ein Forschungsprojekt des DLR, an dem neben dem Institut für Softwaretechnologie auch die DLR-Institute für Raumfahrtsysteme, für Optische Sensorsysteme sowie DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining beteiligt sind.

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• Computertechnik in der Raumfahrt

Der Beitrag DLR: Smartphone-Technologie bringt Satelliten mehr Rechenleistung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA.

Der schuhkistengroße OPS-SAT der ESA befindet sich im Orbit und sendet stabile Signale an die Missionskontrolle auf der Erde. Der Miniatursatellit wird im Orbit als Testlabor für Experimente mit neuer Missionskontrollsoftware und -technik dienen.

Der Nanosatellit wurde am 18. Dezember an Bord der Sojus VA23 vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana in die Umlaufbahn gebracht und teilte sich den Flug mit dem italienischen Erdbeobachtungssatelliten COSMO-SkyMed, der ESA-Exoplaneten-Mission Cheops und zwei weiteren CubeSats.

Nach der Trennung von der Sojus-Fregat-Oberstufe um 14:00 MEZ wurde das erste verifizierte Signal von OPS-SAT am Starttag um 14:24 MEZ von Funkamateur Petri Niemela aus Finnland empfangen.

Eine detaillierte Überprüfung aller Systeme des Nanosatelliten ist nun im Gange.

„Unser winziger Satellit ist in gutem Zustand und wir werden in den nächsten Wochen an der Inbetriebnahme der Systeme arbeiten, einschließlich der Umstellung der Kommunikationsverbindung auf hohe Bitraten“, sagt OPS-SAT-Missionsleiter Dave Evans.

„Funkamateure aus der ganzen Welt berichteten von einem frühen Empfang des OPS-SAT-Bakensignals und senden weiterhin Daten, die sie von unserem Satelliten empfangen. Die Informationen, die sie uns zur Verfügung gestellt haben, waren sehr nützlich für uns – vielen Dank an alle für ihre hervorragende Unterstützung“.

Mit mehr Flugrechenleistung als alle bisherigen ESA-Satelliten ist OPS-SAT ein Inflight-Teststand für alle Arten von vielversprechender neuer operationeller Software, Werkzeuge und Techniken.

Der kostengünstige Nanosatellit arbeitet hinsichtlich seiner Bodenschnittstellen wie ein extrem komplexer ESA-Satellit in Originalgröße. Damit können Forschungsteams von Unternehmen, Forschungsinstituten oder sogar Schul-Computerclubs frühzeitig neue Technologien im Weltraum testen.

Die OPS-SAT-Experimente werden Themen wie KI und autonome Planung, Fehlererkennung und -bestimmung , d.h., dass Satelliten Fehler erkennen und selbst korrigieren können, sowie neue Datenkompressions- und Signalverschlüsselungstechniken abdecken.

Die Mission wird auch die optische Kommunikation für Kryptographie-Experimente und das „Spectrum Analyzer in the Sky“-Experiment zur Überwachung von Funksignalen erproben.

OPS-SAT ist der neueste Technologie CubeSat der ESA – ein Kleinsatellit, der auf standardisierten 10-cm-Boxen basiert und viel günstiger und schneller zu bauen ist als herkömmliche Missionen.

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• Soyuz-ST-A /Fregat-M (VS23) mit Cheops und anderen Satelliten von Kourou

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