Quelle: GFZ 5. Dezember 2023.

5. Dezember 2023 – Neben zwei größeren Erdbeobachtungssatelliten Theos-2 (Thailand) und Triton (Taiwan) konnten auch acht zusätzliche Kleinsatelliten, sogenannte CubeSats erfolgreich in eine polare Umlaufbahn in rund 565 Kilometern Höhe über der Erde gebracht werden.

Das GFZ ist dabei an der Kleinsatellitenmission PRETTY (3U-CubeSat) im Rahmen eines ESA-Projektes als Teil des Wissenschaftsteams zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, dem spanischen Weltraum­institut IEEC und der Universität NTNU Trondheim beteiligt. PRETTY ist mit einem speziellen GNSS-Reflektometrie-Empfänger ausgestattet, mit dem Höhen von Wasser- und Eisoberflächen bestimmt werden können. Erstmals soll die Qualität derartiger Messungen von sehr kleinen Satellitenplattformen getestet werden, um zukünftige kostengünstige Mehrsatellitensysteme für die Erdbeobachtung zu ermöglichen.

„Der Satellit wird unter anderem Messungen zur GNSS-Reflektometrie durchführen, die uns dann sehr exakt See-, Gletschereis- und Wellenhöhen anzeigen.«, erläutert Prof. Jens Wickert, der am GFZ Hauptverantwortlicher der Mission ist. Zudem werden die Dosimeter an Bord die Strahlendosis im Weltraum messen. Dies wird der Überwachung des Weltraumwetters dienen.

Die Mission PRETTY wird viele neue Erkenntnisse bringen: Als Demonstrator-Mission angelegt, wird sie zeigen, was diese Art von Klein­satelliten samt ihrer kompakten Sensorik potenziell leisten kann. Der Hauptzweck der Reflektometer-Nutzlast an Bord von PRETTY ist der Nachweis technischer Machbarkeit. Denn diese sogenannten CubeSats − nur ca. 10x10x34,05cm große Satelliten − werden als eine wichtige Zukunftsoption der Erdbeobachtung gehandelt, da sie als kostengünstige Kleinsatelliten GNSS-Technik und andere kleine Sensoren zur Erdbeobachtung an Bord haben können.

Zur GNSS-Reflektometrie
Die Abkürzung GNSS steht für Globales NavigationsSatellitenSystem. Der Begriff GNSS-Reflektometrie (GNSS-R) fasst verschiedene Fernerkundungsmethoden zusammen, bei denen von Wasser-, Eis- oder Landoberflächen reflektierte Signale von Navigationssatelliten aufgezeichnet und ausgewertet werden. Daraus lassen sich wichtige geophysikalische Eigenschaften dieser Oberflächen ableiten, so zum Beispiel die geometrische Höhe, Bodenfeuchte oder auch Rauigkeit, die wiederum Rückschlüsse auf die Windgeschwindigkeit und -richtung über Wasseroberflächen zulässt. Das Spektrum der Anwendungen ist sehr vielfältig und reicht von der Wettervorhersage bis hin zur Klimaforschung.

Auswertung der Daten auch mit Künstlicher Intelligenz (KI)
Die technischen Teilsysteme des Satelliten werden derzeit ausgiebig getestet, wozu die ersten Daten genutzt werden, die von PRETTY empfangen wurden. Die wissenschaftlichen GNSS-Reflektometriemessungen sind in Vorbereitung, erste Experimente werden gegen Ende des Jahres durchgeführt.

Die Auswertung der Daten von Kleinsatelliten ist eine große Herausforderung, da diese Plattformen über begrenzte technische Möglichkeiten im Vergleich zu größeren Satelliten verfügen. Trotzdem sollen geophysikalische Beobachtungen von möglichst hoher Qualität durchgeführt werden. Um die Daten optimal auszuwerten, werden auch Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt. Dr. Milad Asgarimehr vom GFZ und der TU Berlin ist Teil des PRETTY-Teams und mitverantwortlich für die Entwicklung von KI-Systemen zur Datenauswertung. Er ist auch Leiter des Helmholtz-KI-Projekts „AI4GNSS-R“ zur Entwicklung von neuen AI-Methoden für die GNSS basierte Erdbeobachtung mit der GNSS-Reflektometriemethode und nutzt dabei auch Daten anderer Satelliten, wie denen der U.S. amerikanischen CYGNSS-Mehrsatellitenmission.

AI4GNSS-R zielt auf die Umsetzung von Deep Learning für neuartige Fern­erkundungsdatenprodukte, die auf weltraumgestützten GNSS-R-Messungen basieren. Dazu gehören beispielsweise qualitativ hochwertige Daten zur Windgeschwindigkeit an der Meeresoberfläche, insbesondere bei extremen Windverhältnissen, wie sie bei Hurrikanen herrschen, und auch Niederschlägen über ruhigeren Ozeanen, die ebenfalls mit GNSS-Signalen gemessen werden können.

Weitere technische Details:

• Flug: Flight VV23 – 8 October – Golden Horizon | THEOS-2 & FORMOSAT-7R/TRITON | Vega Launch | Arianespace; Live-Stream vom Start am 9. Oktober 2023 https://www.youtube.com/watch?v=XknbyH6ipxc

• Größe: Der Kleinsatellit PRETTY ist 10 cm × 10 cm × 34,05 cm groß.
   
• Energieversorgung: Die ausklappbaren Solarpanele haben eine Fläche von jeweils 30×20 Zentimetern und versorgen den Satelliten mit einer Leistung von durchschnittlich 24 Watt.
   
• Masse und Umlaufbahn: 4,6 Kilogramm, polare Umlaufbahn mit 565 Kilometer Höhe.
   
• Datenrate: PRETTY kommuniziert mit Datenraten bis 2 Mbit/s; der Betrieb des Satelliten wird mit einer Bodenstation der TU Graz durchgeführt.
   
• Entwickelt wurde PRETTY wird von Beyond Gravity Austria (Konzept und Software System) in Kooperation mit der ESA, Seibersdorf Laboratories (Dosimeter) und der TU Graz (Satellitenbus). GFZ ist Teil eines internationalen wissenschaftlichen Konsortiums (PRETTY-Science) zur Auswertung der GNSS-Reflektometriedaten und vertraglich in das Projekt eingebunden.
   
• Dauer: Die Mission ist auf mindestens ein Jahr ausgelegt. PRETTY wird nach Missionsende auf natürliche Weise wieder in die Erdatmosphäre eindringen und verglühen. Analysen zeigen, dass dies nach spätestens 25 Jahren eintreten wird. Der Satellit entspricht den ESA- und UN-Richtlinien zur Minimierung von Weltraumschrott.

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• Triton + weitere Sats auf Vega (VV23)

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Quelle: Europäische Kommission 9. Oktober 2023.

9. Oktober 2023 – Bei den drei Missionen werden mit sechs Satelliten und neun Experimenten Technologien dank einer Vielzahl von Anwendungen erprobt werden können, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Mit dem IOD/IOV-Programm der Europäischen Union können Experimente in der Umlaufbahn durchgeführt werden und für wissenschaftliche, gemeinnützige oder kommerzielle Zwecke im Weltraum (Validierung in realer Umgebung) erprobt werden. Die Erprobung in der Umlaufbahn ist der letzte Schritt, der zu durchlaufen ist, bevor die Technologien auf den Markt gebracht werden können. Die Europäische Union nutzt die IOD/IOV-Missionen dafür, die Lücke zwischen der Entwicklung einer Technologie und ihrer Vermarktung zu schließen und wird dabei von der Europäischen Weltraumorganisation unterstützt. Sie bieten eine hervorragende Möglichkeit, die europäische Weltraumindustrie durch Innovationen wettbewerbsfähiger zu machen und die wissenschaftliche Exzellenz in Europa voranzubringen.

Im Rahmen der CubeSat-Missionen SYNDEO-1 und SYNDEO-2 werden sieben IOD/IOV-Experimente gebündelt. Die ESTCube-2-Mission und die ANSER-Mission werden dagegen mithilfe einsatzbereiter Satelliten für die Demonstration im Orbit durchgeführt werden.

Insgesamt werden im Rahmen dieses Vega-Flugs Teilnehmer aus sechs europäischen Ländern IOD/IOV-Dienste nutzen können.

1. SYNDEO-1 und SYNDEO-2: Die EU organisiert erstmals im Rahmen von „Horizont 2020“ gebündelt sieben Experimente zu verschiedenen einschlägigen Themen wie Weltraumwissenschaft, Technologie, Antrieb und Weltraumverkehrsmanagement. Die Missionen werden vom niederländischen Unternehmen ISISpace durchgeführt; die Nutzlasten wurden von Universitäten und KMU aus Belgien, Spanien, Frankreich und Tschechien hergestellt.
2. ESTCube-2: Diese Mission wurde von einer Gruppe von Studierenden der Weltraumwissenschaften an der Universität Tartu (Estland) entwickelt: Der 3U-CubeSat dient zur Demonstration der Plasmabremstechnologie für die Entfernung von Satelliten aus der Umlaufbahn und als Plattform für im fernen Weltraum bei künftigen Missionen eingesetzte Minisatelliten, die mit einem elektrischen Sonnensegel betrieben werden.
3. ANSER: Vom spanischen Institut INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) entwickelte Mission, um die Qualität der Wasserreserven der Iberischen Halbinsel mit spektrometrischen Techniken zu untersuchen und zu überwachen. Dabei wird ein Cluster von 3X3U Cube-Sats in einer Formation in die erdnahe Umlaufbahn gebracht werden.

Das gesamte Raumfahrt-Ökosystem wird letztlich durch das IOD/IOV-Programm der Kommission unterstützt, wovon Universitäten und Forschungszentren bis hin zu KMU und Satellitenherstellern profitieren. Das IOD/IOV-Programm stützt sich auf europäische Startlösungen und fördert damit einen autonomen Zugang zum Weltraum. Es leistet einen entscheidenden Beitrag zur Initiative „CASSINI“ der Kommission, mit der die rasche Entwicklung von Neueinsteigern in der Weltraumwirtschaft gefördert wird.

Hintergrund
Für das IOD/IOV-Programm der Kommission wurde 2018 im Rahmen von „Horizont 2020“ der erste Aufruf zur Interessenbekundung veröffentlicht. Mehr als 50 Vorschläge wurden von verschiedenen europäischen Teilnehmern – von KMU bis hin zu großen Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen – eingereicht. Bei den ausgewählten Anwendungen handelt es sich um technologische Innovationen für Erdbeobachtung, Ortung, Navigation und Zeitgebung, Satellitenkommunikation und Weltraumwissenschaft. Im September 2020 ist das erste ausgewählte IOD/IOV-Experiment „UPMSat-2“ an Bord der Trägerrakete Vega erfolgreich angelaufen. Die drei neuen Missionen, die im Oktober 2023 eingeleitet wurden, gehören zu den ausgewählten Projekten.

Derzeit laufen parallel zwei Aufrufe zur Interessenbekundung für Experimente, die für IOD/IOV-Maßnahmen in Betracht kommen würden, die die Bündelung und gegebenenfalls den Start von Diensten und Operationen abdecken. Bewerbungen können für Folgendes eingereicht werden: 1) IOD/IOV-Experimente, die eine Bündelung erfordern und 2) einsatzbereite IOD/IOV-Satelliten. Weitere Informationen sind hier abrufbar.

Technologien, die mit SYNDEO-1-CubeSat erprobt werden müssen:

• Miniatursternsensor zur Lageregelung: Damit soll in der Umlaufbahn ein hochpräziser und kostengünstiger Miniatursternsensor zur Lageregelung getestet werden – Solar MEMS Technologies S.L. (KMU – Spanien).
• Demonstration eines hochpräzisen CubeSats als Lage- und Bahnregelungssystem: Damit soll ein hochpräziser und kompakter CubeSat als Lage- und Bahnregelungssystem (ADCS) mit neuartigen Sternsensoren und Reaktionsrädern validiert werden — KU Leuven (Universität – Belgien).
• Demonstration eines CubeSat-Sternsensors mit einer Genauigkeit im Bogensekundenbereich: Validierung eines Sternsensors, einschließlich eines neuartigen Sternsensoralgorithmus, neuartiger Kalibriermethoden im Orbit und Validierung der Platten zur Streulichtreduzierung und des optomechanischen Designs — KU Leuven (Universität – Belgien).
• RADIOX steht für „RADiation effects during In Orbit Flight eXperiment“ (Strahlungseffekte während des Flugexperiments in der Umlaufbahn): Zielt auf die experimentelle Überprüfung eines neuartigen Strahlungssensors ab. Der Strahlungssensor basiert auf einem elektronischen Speicher, in dem durch energetische Partikel verursachte Fehler überwacht werden. Die Strahlungsintensität wird durch die Messung der Anzahl der Fehler im Speicher ermittelt – KU Leuven (Universität – Belgien).

Technologien, die mit SYNDEO-2-CubeSat erprobt werden müssen:

• Spacepix Radiation Monitor (SXRM): Validierung und Qualifizierung des vollständig entwickelten Strahlendetektors in der Umlaufbahn auf der Grundlage von SpacePix ASIC in der Weltraumumgebung mittels eines Prototyps des Detektors zur Strahlenverfolgung in Originalgröße auf dem Strahlungsfeld im Orbit (Messung des Flusses von Elektronen, Protonen und schweren Ionen) – Esc Aerospace s.r.o (KMU – Tschechien).

• Charakterisierung von Niederfrequenzgeräuschen im Orbit mit Blick auf das magnetische Messsystem für LISA: Mit der IOD soll ein Teil des magnetischen Diagnosesystems für LISA, insbesondere der Magnetsensor und die damit verbundenen elektronischen Lärmminderungstechniken bei Frequenzen unterhalb des Millihertz-Bereichs, validiert werden — Universidad de Cádiz (Universität – Spanien).
• Demonstration von Plasma Jet Pack 0-30 W im Orbit: Das geplante Experiment besteht aus der IOD eines elektrischen Triebwerks (PJP Plasma-Jet Pack), wobei Metall (Wolfram) als Brennstoff verwendet und durch eine Magnetspule verstärkt wird. Das Triebwerk soll bei kleinen Satelliten (15-30 kg) zum Einsatz kommen – COMAT (KMU – Frankreich).

Weitere Informationen:
Factsheet

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