Quelle: TROPOS 23. Mai 2024.

Leipzig, 23. Mai 2024. Die Vorbereitungen zum Start des neuen Erdbeobachtungsatelliten EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) Ende Mai laufen auf Hochtouren. Die gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) und der japanischen Raumfahrtagentur (JAXA) soll Wolken, Aerosole und Strahlung so genau messen wie nie zuvor. Möglich wird das durch die Verknüpfung von vier hochmodernen Instrumenten. Einen wichtigen Beitrag dazu leisten drei sogenannte Prozessoren, die das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) zusammen mit Partnern entwickelt hat. Diese Algorithmen sind jetzt in einer Sonderausgabe des Fachjournals „Atmospheric Measurement Techniques“ ausführlich beschrieben worden.

Die neue Software ermöglicht es, Wolkeneigenschaften aus dem passiven Spektrometer (MSI), die Aerosol- und Wolkenschichtung aus dem aktiven, spektral hochauflösenden Lidar (ATLID) sowie synergetische Wolken- und Aerosolprodukte aus beiden Geräten abzuleiten. Damit diese Berechnungen über die verschiedenen Geräte hinweg funktionieren, wurde ein Aerosolklassifizierungsmodell (HETEAC) als Grundlage für die Aerosoltypisierung entwickelt.

EarthCARE wird erstmals ein spektral hochauflösendes Lidar und ein Doppler-Wolkenradar mit passiven Sensoren kombinieren und stellt damit die komplexeste Satellitenmission zur Erforschung von Aerosolen, Wolken und deren Strahlungswirkung dar, die jemals ins All gestartet wurde. Die Entwicklung von EarthCARE hat mehr als 15 Jahre gedauert und rund 800 Millionen Euro gekostet. Für die Wissenschaft bietet der Satellit große Möglichkeiten: Hochmoderne Technologie an Bord liefert eine Vielzahl von Daten, die die Genauigkeit von Klimamodellen verbessern und die numerische Wettervorhersage unterstützen sollen.

Der 17,2 Meter lange, 2,5 Meter breite, 3,5 Meter hohe und rund 2.200 Kilogramm schwere EarthCARE-Satellit wurde beim deutschen Hauptauftragnehmer Airbus in Friedrichshafen montiert, zusammen mit der ESA ausgiebig getestet und anschließend per Flugzeug nach Vandenberg (Kalifornien, USA) transportiert, wo er Ende Mai mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX in seinen Zielorbit in 393 Kilometer Höhe gebracht werden soll.

Der Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) ist mit vier Instrumenten ausgestattet: einem Doppler-Wolkenradar, einem Lidar mit hoher spektraler Auflösung, einem abbildenden Spektrometer und einem Breitbandradiometer mit drei verschiedenen Blickrichtungen. Die Instrumente werden synergetische Beobachtungen von Aerosolen, Wolken, Strahlung und deren Wechselwirkungen mit noch nie dagewesener Genauigkeit liefern. Eines der Ziele der Mission ist es, die gemessenen und berechneten Strahlungsflüsse am Oberrand der Atmosphäre für eine 100 Quadratkilometer große Momentaufnahme mit einer Genauigkeit von 10 Watt pro Quadratmeter in Übereinstimmung zu bringen, was das Wissen über den globalen Strahlungsantrieb erheblich verbessern würde.

Die EarthCARE-Daten werden mit Hilfe einer ausgeklügelten Datenkette fast in Echtzeit (Near Real Time) berechnet. Das Lidar liefert vertikale Profile und damit einen Querschnitt der Atmosphäre entlang der Flugstrecke des Satelliten. Daraus leiten die am TROPOS entwickelten Algorithmen die Wolkenoberkante und die Höhe von Aerosolschichten, die z.B. aus Saharastaub oder Rauch großer Waldbrände bestehen können, ab (Wandinger et al., 2023b). Diese Algorithmen werden in der Fachsprache auch Prozessoren genannt und sind das Software-Herz der Datenauswertung. Ergänzend zum Lidar ermöglicht das abbildende Spektrometer die Charakterisierung der Atmosphäre durch ein horizontales, 150 km breites Abbild von Wolken- und Aerosoleigenschaften. Die mikro- und makrophysikalischen Wolkeneigenschaften wie z.B. die optische Dicke der Wolken, der Tropfenradius und die Wolkenhöhe werden mit einem weiteren am TROPOS entwickelten Prozessor bestimmt (Hünerbein et al., 2023, 2024; Docter et al., 2024; Mason et al., 2024). Der dritte am TROPOS entwickelte Prozessor kombiniert die höhenaufgelöste Information vom Lidar mit der horizontalen Information des Spektrometers, um damit ein verbessertes dreidimensionales Bild der Atmosphäre entlang der Flugstrecke des erdumlaufenden Satelliten zu gewinnen (Haarig et al., 2023).

Die Aerosolklassifizierung basiert in allen EarthCARE-Algorithmen auf dem HETEAC-Modell (Hybrid End-to-End Aerosol Classification) (Wandinger et al., 2023a). „Das vom TROPOS zusammen mit Partnern entwickelte Aerosolklassifizierungsmodell HETEAC spielt bei der Verarbeitung der Daten eine zentrale Rolle, weil es dafür sorgt, dass die Geräte sozusagen dieselbe Sprache sprechen und ihre Daten ein einheitliches Gesamtbild ergeben“, erklärt Dr. Ulla Wandinger vom TROPOS, die die Entwicklung dieses Modells geleitet hat. Aber auch in der Auswertung der Lidar- und Spektrometerdaten stecken mehrere Jahrzehnte Know-how an Wolken- und Aerosolbeobachtung vom TROPOS: „Die entwickelten Korrekturmechanismen in unseren Prozessoren werden dafür sorgen, dass sich die Qualität der Wolken- und Aerosoldaten deutlich verbessern wird“, berichtet Dr. Anja Hünerbein, die an der Auswertungssoftware für das passive Spektrometer entscheidend mitgearbeitet hat.

Forschende des TROPOS aus Leipzig haben aber nicht nur an der Software mitgearbeitet, sondern werden auch an der Überprüfung und Kalibrierung der Daten beteiligt sein. Denn eine sorgfältige Validierung der Messungen ist erforderlich, um die ehrgeizigen wissenschaftlichen Ziele der EarthCARE-Mission zu erreichen. Eine große Rolle spielt dabei die europäische Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure). Die ACTRIS-Fernerkundungsstationen sind für diesen Zweck bestens gerüstet: Die Standardausrüstung, bestehend aus einem Hochleistungs-Lidar und einem Sonnen-Photometer für Aerosolmessungen sowie einem Doppler-Radar und einem Mikrowellenradiometer für Wolkenmessungen, ermöglicht zusammen mit dem Qualitätssicherungskonzept von ACTRIS eine detaillierte Überprüfung aller EarthCARE-Aerosol- und Wolkenprodukte. „Arbeitsabläufe für die Beobachtung, die Datenverarbeitung und die Bereitstellung von Daten in nahezu Echtzeit wurden bereits entwickelt und ausgiebig getestet. Für diesen Sommer organisieren wir eine Kampagne mit über 40 Stationen, die mehrere Monate dauern soll“, blickt Dr. Holger Baars vom TROPOS voraus, der die Kampagne koordiniert. Daran beteiligt sein werden neben den TROPOS-Stationen in Leipzig (Deutschland), Mindelo (Cabo Verde) und Duschanbe (Tadschikistan) auch viele ACTRIS-Stationen in ganz Europa.

Die umfangreichen Validierungsmaßnahmen von TROPOS und vielen internationalen Forschungsteams dienen dazu, die entwickelten Prozessoren und die damit bestimmten Messgrößen genau zu überprüfen. Erst dann ist wirklich klar, wie gut die Eigenschaften von Aerosolen und Wolken und deren Strahlungswirkung von EarthCARE bestimmt und wie die global gemessenen Daten für ein verbessertes Verständnis der Atmosphäre genutzt werden können. Europas neues „Auge“ im All wird erst mit Hilfe der Bodenstationen richtig scharf und so präzise wie nie zuvor auf die komplizierten Wechselwirkungen zwischen Wolken, Aerosolen und Strahlung schauen können.

Publikationen (TROPOS-Autor:innen fett markiert):
Hogan, R. J., Illingworth, A. J., Kollias, P., Okamoto, H., and Wandinger, U.: Preface to the special issue “EarthCARE Level 2 algorithms and data products”: Editorial in memory of Tobias Wehr, Atmos. Meas. Tech., 17, 3081–3083, https://amt.copernicus.org/articles/17/3081/2024/ , 2024. <Published: 22 May 2024>

Docter, N., Hünerbein, A., Donovan, D. P., Preusker, R., Fischer, J., Meirink, J. F., Stammes, P., and Eisinger, M.: Assessment of the spectral misalignment effect (SMILE) on EarthCARE’s Multi-Spectral Imager aerosol and cloud property retrievals, Atmos. Meas. Tech, 17, 2507-2519, https://amt.copernicus.org/articles/17/2507/2024/ , 2024. <Published: 23 Apr 2024>

Mason, S. L., Barker, H. W., Cole, J. N. S., Docter, N., Donovan, D. P., Hogan, R. J., Hünerbein, A., Kollias, P., Puigdomènech Treserras, B., Qu, Z., Wandinger, U., and van Zadelhoff, G.-J.: An intercomparison of EarthCARE cloud, aerosol, and precipitation retrieval products, Atmos. Meas. Tech, 17, 875-898, https://amt.copernicus.org/articles/17/875/2024/ , 2024. <Published: 01 Feb 2024>

Hünerbein, A., Bley, S., Deneke, H., Meirink, J. F., van Zadelhoff, G.-J., and Walther, A.: Cloud optical and physical properties retrieval from EarthCARE multi-spectral imager: the M-COP products, Atmos. Meas. Tech, 17, 261-276, https://amt.copernicus.org/articles/17/261/2024/ , 2024. <Published: 16 Jan 2024>

Haarig, M., Hünerbein, A., Wandinger, U., Docter, N., Bley, S., Donovan, D., and van Zadelhoff, G.-J.: Cloud top heights and aerosol columnar properties from combined EarthCARE lidar and imager observations: the AM-CTH and AM-ACD products, Atmos. Meas. Tech, 16, 5953-5975, https://amt.copernicus.org/articles/16/5953/2023/ , 2023. < Published: 13 Dec 2023>

Wandinger, U., Haarig, M., Baars, H., Donovan, D., and van Zadelhoff, G.-J.: Cloud top heights and aerosol layer properties from EarthCARE lidar observations: the A-CTH and A-ALD products, Atmos. Meas. Tech, 16, 4031-4052, https://amt.copernicus.org/articles/16/4031/2023/ , 2023. < Published: 07 Sep 2023>

Hünerbein, A., Bley, S., Horn, S., Deneke, H., and Walther, A.: Cloud mask algorithm from the EarthCARE Multi-Spectral Imager: the M-CM products, Atmos. Meas. Tech, 16, 2821-2836, https://amt.copernicus.org/articles/16/2821/2023/ , 2023. <Published: 7 Jun 2023>

Wandinger, U., Floutsi, A. A., Baars, H., Haarig, M., Ansmann, A., Hünerbein, A., Docter, N., Donovan, D., van Zadelhoff, G.-J., Mason, S., and Cole, J.: HETEAC – the Hybrid End-To-End Aerosol Classification model for EarthCARE, Atmos. Meas. Tech, 16, 2485-2510, https://amt.copernicus.org/articles/16/2485/2023/ , 2023. < Published: 25 May 2023>

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• EarthCARE auf Falcon 9

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 11. Juli 2023.

11. Juli 2023 – Mittlerweile befinden sich im Orbit um die Erde Tausende von Satelliten, und es werden noch viel mehr werden. Wie es aus IT-Perspektive um die Sicherheit dieser Systeme bestellt ist, haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum und vom CISPA Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit in Saarbrücken untersucht. Sie analysierten drei aktuelle Low-Earth-Orbit-Satelliten und stellten fest, dass aus technischer Sicht kaum moderne Sicherheitskonzepte eingesetzt wurden. Diverse Sicherheitsmechanismen, die heute in Handys und Laptops gängig sind, waren nicht zu finden: Beispielsweise gab es keine Trennung von Code und Daten. Interviews mit Entwicklerinnen und Entwicklern von Satelliten ergaben zudem, dass man sich in der Branche vorrangig auf Sicherheit durch Geheimhaltung verlässt.

Die Ergebnisse präsentierte ein Team um den Bochumer Doktoranden Johannes Willbold, den Saarbrücker Forscher Dr. Ali Abbasi und Prof. Dr. Thorsten Holz, früher in Bochum, heute in Saarbrücken, auf dem IEEE Symposium on Security and Privacy, das vom 22. bis 25. Mai 2023 in San Francisco stattfand. Die Arbeit wurde auf der Konferenz mit einem Distinguished Paper Award ausgezeichnet.

Forschungssatelliten und kommerzieller Satellit im Test
Bei den untersuchten Satelliten handelte es sich um zwei kleine Modelle und ein mittelgroßes Modell – sowohl ein Forschungssatellit als auch ein Satellit eines kommerziellen Unternehmens –, die in geringer Entfernung die Erde umkreisen und für die Erdbeobachtung eingesetzt werden. Zugriff auf Satelliten und deren Software zu erhalten, war für das Team eine Herausforderung, da gerade kommerzielle Anbieter sich selten in die Karten schauen lassen wollen. Kooperationen mit der European Space Agency (ESA), verschiedenen Universitäten, die am Bau von Satelliten mitwirken, sowie mit einem Unternehmen ermöglichten schließlich den Zugriff.

Das Bochumer-Saarbrücker Team unterzog die drei Modelle einer aufwendigen Analyse. Sie schauten im Detail, was die Software, die auf den Geräten läuft, macht und welche Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Sie emulierten die Systeme, bauten sie also virtuell nach, sodass sie die Software so testen konnten, als ob sie sich in einem echten Satelliten befinden würde. „Das war eine ganz andere Welt als die Systeme, die wir sonst untersuchen. Es kamen beispielsweise ganz andere Kommunikationsprotokolle zum Einsatz“, resümiert Thorsten Holz.

Systeme mit speziellen Anforderungen
Satelliten, die die Erde umkreisen, sind immer nur in einem Zeitfenster von wenigen Minuten für ihre Bodenstation auf der Erde erreichbar. Die Systeme müssen robust gegen die Strahlung im Weltall sein, dürfen nur wenig Energie verbrauchen und haben eine entsprechend geringe Leistung. „Die Datenraten sind wie bei Modems der 1990er-Jahre“, erklärt Holz die Herausforderungen, denen sich Satelliten-Entwickler gegenübersehen.

Basierend auf den Erkenntnissen der Software-Analyse erarbeiteten die Forschenden verschiedene Angriffsszenarien. Sie zeigten, dass sie die Satelliten von der Kontrolle durch die Bodenstation abschneiden und selbst die Steuerung der Systeme übernehmen konnten, um beispielsweise Bilder mit der Satellitenkamera zu machen. „Wir waren überrascht, dass das technische Sicherheitsniveau so gering ist“, sagt Thorsten Holz, schränkt aber gleichzeitig die möglichen Konsequenzen ein: „Es wäre nicht so leicht, den Satelliten an einen anderen Ort zu steuern, beispielsweise zum Absturz zu bringen oder mit anderen Objekten kollidieren zu lassen.“

Umfrage unter Entwicklerinnen und Entwicklern
Um herauszufinden, welches Sicherheitsverständnis bei den Personen herrscht, die Satelliten entwickeln und bauen, konzipierte das Forschungsteam einen Fragebogen und schickte ihn an Forschungseinrichtungen, die ESA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie verschiedene Firmen. 19 Personen beteiligten sich anonym an der Befragung. „Die Ergebnisse zeigen uns, dass das Sicherheitsverständnis in der Branche ein anderes ist als in vielen anderen Bereichen, nämlich Security by Obscurity“, fasst Johannes Willbold zusammen. Viele der Befragten gingen also davon aus, dass Satelliten nicht angegriffen werden könnten, weil es keine Dokumentation der Systeme gibt, also nichts über sie bekannt ist. Nur wenige gaben an, Daten bei der Kommunikation mit den Satelliten zu verschlüsseln oder eine Authentifizierung zu nutzen, sodass sichergestellt wäre, dass nur die Bodenstation mit dem Satelliten kommunizieren darf.

„Eine fehlende Dokumentation schützt aber nicht vor Angriffen“, sagt Moritz Schloegel, ein weiterer Autor der Arbeit. „Mittlerweile kann man Systeme über Reverse Engineering verstehen und ihre Schwachstellen finden. Ein Ziel unserer Arbeit war daher auch, die Satelliten- und Security-Communitys zusammenzubringen, um ein gegenseitiges Verständnis von den Herausforderungen bei der Anwendung im Weltall und von den heute üblichen Sicherheitsstandards zu fördern.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert vom Europäischen Forschungsrat (Grant 101045669), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt CPSec – 16KIS1564K) sowie dem NRW-Ministerium für Kultur und Wissenschaft im Rahmen des Graduiertenkollegs SecHuman.

Originalveröffentlichung
Johannes Willbold, Moritz Schloegel, Manuel Vögele, Maximilian Gerhardt, Thorsten Holz, Ali Abbasi: Space odyssey: An experimental software security analysis of satellites, In IEEE Symposium on Security and Privacy Proceedings, 2023, DOI: 10.1109/SP46215.2023.00131, Preprint: https://jwillbold.com/paper/willbold2023spaceodyssey.pdf;

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• Computertechnik in der Raumfahrt

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Quelle: Universität Stuttgart 19. Dezember 2022.

19. Dezember 2022 – Die Startkosten in der Raumfahrt sind in den vergangenen Jahren stark gesunken. Satelliten sind teilweise nur noch so groß wie Schuhkartons oder kleiner. Ihre Sensortechnologie wird preiswerter, kleiner und besser. Und künstliche Intelligenz ermöglicht es, die großen Datenmengen effektiv zu verarbeiten und auszuwerten. Das alles trägt dazu bei, dass die Konditionen für die Raumfahrt insgesamt günstiger werden, weshalb mehr Start-ups und klein- und mittelständische Unternehmen die Chance ergreifen und sich am Raumfahrtmarkt etablieren – die sogenannte New Space Bewegung.

Früher gab es einige wenige, dafür finanziell sehr gut gestellte, institutionelle Raumfahrtprojekte. Sie konnten es sich leisten, für jede neue Satellitenmission eine eigene, größtenteils neue Software zu entwickeln. Heute ist die Entwicklung eines Betriebssystems für die Satelliten eine große Herausforderung, insbesondere für die mit Wagniskapital ausgestatteten Start-Ups. Sie stehen vor der Herausforderung, in kurzer Zeit ihre anspruchsvollen Geschäftsziele zu erreichen und das dafür notwendige Wissen aufzubauen. „Wir können uns das so vorstellen, als müssten wir mit jedem neuen Laptop-Kauf ein neues Windows-Betriebssystem entwickeln“, erklärt Florian Schilli, Teammitglied des Start-ups sat:io. Die Satellitenbetreiber*innen bräuchten ein skalierbares System, das sie mit einem geringen Integrationsaufwand immer wieder für neue Satellitenmissionen nutzen könnten. sat:io hat diesen Wandel am Markt erkannt und Lösungen entwickelt.

„Wir wollen den Satellitenbetreiber*innen eine ganzheitliche Lösung anbieten, um ihren Integrationsaufwand zu reduzieren. Statt eines großen teuren Gesamtsystems bieten wir mit unserer Toolsuite einzelne Tools an, die in oder über die einzelnen Projektphasen hinweg bedarfsgerecht eingesetzt werden können.“ Ihre Produkte bieten sie als sogenanntes Pay-as-you-go-Modell an, das bedeutet die Satellitenbetreiber bezahlen nur die Tools, die sie benötigen. Diese stehen ihnen unmittelbar zur Verfügung und sind bereits im Gesamtsystem integriert.
Vorstellen könne man es sich wie das Office-Paket für Windows. „Wir haben einzelne Tools wie Word, Outlook und Excel, deren Schnittstellen perfekt aufeinander abgestimmt sind und die zuverlässig miteinander interagieren“, sagt Schilli. Ziel sei es, die Kundinnen und Kunden möglichst entlang ihrer gesamten Wertschöpfungskette zu begleiten und einen Mehrwert zu schaffen.

Eine Herausforderung, die sat:io lösen will, ist das automatisierte Auflösen von Konflikten innerhalb der Missionsplanung. Während des Satellitenbetriebs werden Ressourcen wie elektrische Energie verbraucht und andere Ressourcen sind über ein bestimmtes Zeitfenster hinweg in Verwendung und damit nicht anderweitig verfügbar. Die Sensorik für Erdbeobachtung kann zum Beispiel immer nur eine Beobachtung ausführen. Das System berücksichtigt die Verfügbarkeit von Ressourcen innerhalb der Missionsplanung und löst Konflikte automatisiert auf. Die Basis dafür ist ein Ressourcenmanagement, das Teil einer Patentanmeldung von sat:io und der Universität Stuttgart ist.

Sat:io erhält EXIST-Forschungstransfer
sat:io ist ein Start-up des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. Die Gründungsmitglieder Susann Pätschke, Sebastian Wenzel und Kai Leidig sind Alumna und Alumni der Universität. Insgesamt zu siebt arbeitet das Team an seiner Idee. Für ihre Forschung haben sie im September 2022 eine EXIST-Forschungstransfer-Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz erhalten. Die Förderung unterstützt herausragende forschungsbasierte Gründungsvorhaben, die mit aufwändigen und risikoreichen Entwicklungsarbeiten verbunden sind. Ende November 2022 hat das Berliner Marktforschungsinstitut Capitol Momentum sat:io zum Start-up mit der vielversprechendsten innovativen Geschäftsidee im Bereich der New-Space-Industrie in Deutschland gewählt.

Fachliche Unterstützung erhält das Team vom IRS, insbesondere von seiner Mentorin Professorin Sabine Klinkner. Parallel zu dem Verbundprojekt EIVE entwickelt sat:io gemeinsam mit Universitäts-Kolleg*innen das Betriebssystem für den 6U CubeSat. Im Juni 2023 soll EIVE ins Weltall starten.

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• Computertechnik in der Raumfahrt

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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

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Quelle: RUAG Space.

Zürich/Wien, 27. Oktober 2021 – Tagtäglich liefern Satelliten wichtige Daten für die Klima- und Umweltforschung, etwa wie hoch der Meeresspiegel steigt oder welche Auswirkungen die globale Erwärmung auf den Gletscherschwund in den Alpen oder auf Flüsse wie die Donau hat. Je präziser die Satellitendaten, umso genauer die Vorhersagen der Wissenschaftler. Daher arbeitet RUAG Space im Rahmen einer Studie für die Europäische Union an einer genaueren Positionsbestimmung von Satelliten, die wiederum bessere Satellitendaten etwa über Klimaveränderungen ermöglicht.

Tests übertrafen Erwartungen: Position auf 10 Zentimeter genau
RUAG Space führte kürzlich erste Tests auf der Erde durch. Dabei wurde eine neue Software mit einem bestehenden Navigationsempfänger für Satelliten von RUAG Space unter simulierten Weltraumbedingungen getestet. „Das Ergebnis war beeindruckend“, berichtete Heinz Reichinger, leitender Ingenieur für Navigationsempfänger und Signalverarbeitung am Wiener Standort von RUAG Space. „Wir konnten die Position des Satelliten zehnmal genauer bestimmen als bisher möglich.“ Die Positionsgenauigkeit verbesserte sich von etwa 100 Zentimeter auf 10 Zentimeter. „Das ist ein Quantensprung in der hochgenauen Positionsbestimmung von Satelliten.“ Mit 10 Zentimetern Genauigkeit übertrafen die Testresultate sogar die ursprünglichen Erwartungen einer Genauigkeit von 20 Zentimetern deutlich.

Neue Software verarbeitet neues Galileo-Signal
Erreicht wurde die höhere Genauigkeit mit einem neuen Softwareprogramm. Die Software kann neben den herkömmlichen Signalen auch ein zusätzliches Positionssignal der europäischen Navigationssatelliten Galileo verarbeiten. Um die genaue Position von Satelliten zu bestimmen, kombinieren die aktuellsten Navigationsempfänger von RUAG Space die Signale der europäischen Galileo-Navigationssatelliten und des amerikanischen GPS Systems. Diese Signale werden genutzt, um die Position des Satelliten im All zu bestimmen. „In den Galileo-Satelliten steckt derzeit noch ungenutztes Potenzial. Sie senden mehrere Signale aus in verschiedenen Frequenzbändern“, erklärte Martin Auer, der die Studie bei RUAG Space leitet. Mit dem Galileo High Accuracy Service (HAS) wird Galileo einen weltweiten, kostenlosen und hochgenauen Ortungsdienst für Anwendungen anbieten, die eine höhere Leistung erfordern, wie Drohnen oder autonome Fahrzeuge. Dieser Dienst sollte 2022 verfügbar sein.

„Ein Softwareupdate kann auf bereits im All befindliche Navigationsempfänger ebenso gespielt werden wie auf Empfänger, die wir bereits an Kunden geliefert haben und noch auf der Erde sind.“ Die Hardware der Geräte bleibt unverändert. Die ESA etwa lässt den bereits an sie ausgelieferten RUAG Space Navigationsempfänger „PODRIX“ für den Umweltsatelliten Sentinel 1C mit dieser neuen Software für die In-Orbit Validation des Satelliten aufrüsten. Der von Thales Alenia Space gebaute Satellit Sentinel 1C wird 2022 ins All starten.

Für eine präzise Positionierung sorgen aber schon heute Navigationsempfänger von RUAG Space, die Galileo-Signale verarbeiten. Dazu gehört derjenige für den „Sentinel 6 Copernicus“ Satelliten, der seit November 2020 im All ist. Er misst das Ausmaß der Meeresspiegelveränderung und liefert wichtige Daten über Küstengebiete, die durch den Meeresspiegelanstieg gefährdet sind. Je genauer die Position des Satelliten bestimmt werden kann, desto präziser sind die Umweltdaten, die er sammelt und liefert. Dies ermöglicht neue Beobachtungen und Vorhersagen, die für die Bewältigung der Auswirkungen der Klimakrise, zum Beispiel in exponierten Küstenstädten wie Venedig, unerlässlich sind“, erklärte Fiammetta Diani, Leiterin der Abteilung Marktentwicklung bei der Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm.

Genauere Positionsdaten vermeiden Satellitenunfälle und Weltraummüll
Genauere Daten über die Position eines Satelliten helfen außerdem dabei, eine Kollision von Satelliten im All zu vermeiden und tragen damit zur Vermeidung von Weltraummüll bei. Prallen Satelliten im Orbit aufeinander, entstehen zahlreiche Satellitentrümmer. Durch die hohe Geschwindigkeit im Orbit sind selbst kleinste Trümmerteilchen eine enorme Gefahr für andere Satelliten. „Je genauer die Position eines Satelliten bekannt ist, desto besser kann ein potenzieller Unfall vorhergesagt und beispielsweise Ausweichmanöver durchgeführt werden. Unsere genaueren Positionsdaten von Satelliten helfen, Weltraummüll zu vermeiden“, betonte Heinz Reichinger von RUAG Space.

Neues Navigationssystem für Satellitenschwärme
In den kommenden Jahren ist der Start vieler Satellitenschwärme von hunderten bis tausenden Kleinsatelliten im erdnahen Orbit geplant. Für solche Schwärme baugleicher Satelliten entwickelt RUAG Space einen kostengünstigen Navigationsempfänger, der leichter und kleiner als herkömmliche Geräte ist und die neue Software zur Verarbeitung der zusätzlichen Galileo HAS-Signale bereits standardmäßig enthält. Die neuen Empfänger namens „NavRix PinPoint“ sind durch die Verwendung standardisierter Elektronikbauteile (Commercial Off the Shelf) kostengünstiger.

Über die Studie: Forschungsauftrag im Wert von einer Million Euro
Anfang 2021 vergab die Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA) einen Forschungsauftrag in Höhe von einer Million Euro an RUAG Space. Ziel der Studie ist es, die Positionsgenauigkeit von Satelliten zu erhöhen. Die Studie wird 2022 abgeschlossen werden.

Über RUAG Space
RUAG Space, mit Hauptsitz in Zürich, ist der führende Zulieferer der Raumfahrtindustrie in Europa mit einer wachsenden Präsenz in den USA. Rund 1.300 Mitarbeiter in sechs Ländern (Schweiz, Schweden, Österreich, Deutschland, USA und Finnland) entwickeln und fertigen Produkte für Satelliten und Trägerraketen – sowohl für den institutionellen als auch den kommerziellen Raumfahrtmarkt.

In Österreich ist RUAG Space Austria mit Sitz in Wien und rund 250 Mitarbeitern das grösste österreichische Raumfahrtunternehmen, das Satelliten und Trägerraketen weltweit mit Elektronik, Mechanik und Wärmedämmung ausstattet. Als Spin-off der Raumfahrtaktivitäten produziert das Unternehmen in Berndorf, Niederösterreich, auch Thermalisolation, zum Beispiel für den medizinischen Bereich (Magnetresonanztomographen).

RUAG Space ist Teil von RUAG International, einem Schweizer Technologiekonzern mit Produktionsstandorten in 14 Ländern, der in vier Divisionen unterteilt ist: Space, Aerostructures, MRO International und Ammotec. RUAG International beschäftigt rund 6.500 Mitarbeiter, von denen etwa zwei Drittel außerhalb der Schweiz arbeiten. www.ruag.com

Über die Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA)
Die Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA) erbringt zuverlässige und sichere europäische Satellitennavigationsdienste, fördert die Vermarktung von Galileo-, EGNOS- und Copernicus-Daten und -diensten und koordiniert das künftige staatliche Satellitenkommunikationsprogramm GOVSATCOM. Die EUSPA ist für die Sicherheitsakkreditierung sämtlicher Komponenten des EU-Weltraumprogramms zuständig. Durch die Förderung der Entwicklung eines innovativen und wettbewerbsfähigen Raumfahrtsektors und die Zusammenarbeit mit der gesamten Weltraumszene der EU leistet die EUSPA einen Beitrag zum europäischen Green Deal, zum digitalen Wandel, zur Sicherheit sowie zum Schutz der Union und ihrer Bürger und stärkt dabei zugleich ihre Unabhängigkeit und Widerstandsfähigkeit.

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• RUAG

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Quelle: RUB.

15. September 2021 – Der Weltraum ist ein energiegeladener Ort. Dort explodieren, implodieren oder kollidieren stetig Objekte, sogar Galaxien und schwarze Löcher. Dabei werden Unmengen von energiereichen Teilchen frei. Erst mit der heutigen Technik, zum Beispiel mit modernen Teleskopen, ist es möglich, diese besonderen Ereignisse zu entdecken und zu beobachten. Patrick Reichherzer, Doktorand am Institut für Astronomie der Ruhr-Universität Bochum (RUB), hat dafür in einer internationalen Zusammenarbeit mit Forschenden aus Paris Astro-COLIBRI entwickelt: ein News-Interface, das sich mit solchen Ereignissen befasst. So werden die Nutzenden bei einem energiereichen Weltraumereignis automatisch benachrichtigt.

Astro-COLIBRI schafft Abhilfe
Gerade für Hobby-Astronomie-Begeisterte ist es meist nicht möglich, jedes dieser Ereignisse auch wirklich zu erfassen. Denn jedes Teleskop ist nur auf einen bestimmten Fleck im Weltraum gerichtet. Auch sind die meisten dieser Ereignisse kurzlebig und oft nur wenige Sekunden bis Stunden präsent.

Genau da setzt die Plattform Astro-COLIBRI an: Sie bietet zu jedem Ereignis eine Vielzahl von Daten. So können sich Interessierte über solche Weltraumereignisse auf dem neusten Stand halten. „Auf der Website sieht man direkt, welche Ereignisse es gab, jeder kann selbst evaluieren, ob diese Ereignisse eine persönliche Relevanz haben“, so Reichherzer. Neue Funktionen sind bereits geplant. Eine App gibt es schon, bald soll noch eine Kommentarfunktion dazukommen.

Astro-COLIBRI smartphone apps (promo video)

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