Satelliten-Entwicklung Elektronik im Orbit

Im Satelliten »MASAT-1« musste eine Power-Management-Einheit, ein Kommunikations-Subsystem, der Bordcomputer und ein Lagebestimmungs- und -regelungs-Subsystem implementiert werden. Das erfordert die Zusammenarbeit mehrerer Designdisziplinen und Tools, die dies beherrschen.

Für die Elektronikentwicklung des ersten ungarischen Satelliten MASAT-1, der an der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest (BME) in der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik gebaut wurde, kam Altiums »Designer« zum Einsatz. Angesichts der Komplexität des Vorhabens musste außerdem mit den für die Mechanik zuständigen Ingenieuren zusammengearbeitet werden, die »CATIA« (Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application) nutzen, ein CAD-Programm der französischen Firma Dassault Systèmes.

Es galt ferner, das Verwalten der Stückliste sowie eine einheitliche und zügige Dokumentation einfach zu gestalten. Eine unkomplizierte Ordnerverwaltung für SMD- und Durchsteck-Bauelemente stand ebenfalls auf der Anforderungsliste. Der Name MASAT-1 setzt sich zusammen aus »Magyar« (ungarisch) und »Satellit«.

Er ist ein sogenannter Picosatellit in Form eines Würfels mit einer Kantenlänge von 10 cm, der eine Masse von maximal 1 kg haben darf (Bild 1). Der Bau des Satelliten war ein Pilotprojekt, das in erster Linie zu Ausbildungszwecken diente. Gleichzeitig handelte es sich um ein technisches Experiment, dessen Ergebnisse eine wichtige Hilfestellung beim Bau künftiger anspruchsvollerer Satelliten sein sollten.

Nach Erreichen der Erdumlaufbahn sollte der Satellit Informationen an die Bodenstationen senden. So klein und leicht dieser künstliche Himmelskörper auch sein mag, müssen seine Konstrukteure gleichwohl größte Sorgfalt beim Design seiner komplizierten Funktionen anwenden. Konstruktion und Entwicklung der Mechanik und der Subsysteme, welche die extremen Belastungen beim Raketenstart und beim Weltraumeinsatz überstehen müssen, werfen ebenso große Probleme auf, wie bei größeren Satelliten.

Die an MASAT-1 geknüpften wissenschaftlichen Zielsetzungen sahen unter anderem den Test eines semiaktiven magnetischen Stabilisierungssystems und die Messung von Umgebungsparametern wie der Temperatur und der Beschleunigungsvektoren vor.

Technische Einzelheiten

Die Hauptsysteme des MASAT-1 gliedern sich in vier Abschnitte:

  • Bordcomputer (On-Board Computer - OBC):

Der OBC, der die betrieblichen Abläufe des Satelliten kontrolliert, wurde in Anbetracht seiner Schlüsselfunktion für hohe Zuverlässigkeit ausgelegt. Er besteht deshalb aus zwei identischen Einheiten in kalt redundanter Ausführung. Die beiden Rechner OBC1 und OBC2 sind völlig gleich, verarbeiten die gleiche Software und sind auf die gleiche Weise mit den übrigen Abschnitten des Satelliten verbunden.

Eine Kommunikation der beiden OBCs untereinander ist dagegen nicht möglich. Seitens der Stromversorgung ist außerdem sichergestellt, dass stets nur einer der beiden OBCs eingeschaltet ist. Die OBCs sind in der Lage, sich zu identifizieren, und aus den Telemetrie-daten ist ersichtlich, welcher der beiden OBCs jeweils arbeitet. Jeder Computer ist auf einer vierlagigen Leiterplatte implementiert, in die auch die Schaltungen zum Zusammenführen der beiden Rechner und der Steuersignale integriert sind. Über den Steckverbinder des Access-Ports der Platine ist es möglich, die Batterie zu laden und per Leitung mit dem Computer zu kommunizieren. Nach dem Zusammenbau des Satelliten ist nur noch dieser Steckverbinder zugänglich.

  • Das Lagebestimmungs- und -regelungssystem (Attitude Determination and Control System - ADCS):

Das ADCS-Panel ist zwischen dem zentralen Bordrechner und der Funkkommunikationseinheit des Satelliten angeordnet. Das Panel umfasst die ADCS-Sensoren und den Mikrocontroller, der die Daten sammelt und per I²C mit dem Mikrocontroller des Zentralrechners kommuniziert. Das vom Mikrocontroller berechnete Stellsignal wird dem ebenfalls auf dem Panel befindlichen Leistungsverstärker zugeführt, der wiederum die Spulen ansteuert.

Diese Stufe ist als Vollbrückenschaltung ausgeführt, mit Feldeffekt-Transistoren bestückt, und die Spulen sind an die Brücke angeschlossen. Die durchschnittliche Stromstärke in der Spule wird durch das Stellsignal bestimmt, dessen Frequenz konstant ist, während sein Tastverhältnis moduliert wird. Das ADCS sendet seine Daten über den Zentralcomputer an die Funkkommunikationseinheit.

Auf diese Weise ist es möglich, Telemetriedaten zur Funktion des ADCS an die Bodenstationen zu übermitteln und Korrekturen an den Betriebsarten und Parametern der Regelung vorzunehmen. Das ADCS des MASAT-1 ist reichhaltig mit Instrumenten bestückt. Unter anderem sind ein Digitalkompass, ein Drei-Achsen-Instrument zur Messung der magnetischen Feldstärke und ein Drei-Achsen-Beschleunigungssensor vorhanden.Hinzu kommt ein mikroelektromechanisches System (MEMS) zum dreiachsigen Messen von Winkelgeschwindigkeiten. Die analogen Signale der an jeder Seite angeordneten Fotodioden werden außerdem von einem separaten, in das Panel integrierten Mikrocontroller verarbeitet.

  • Das Kommunikationssystem (COM):

Der COM-Teil verfügt über keine Eigenintelligenz. Sämtliche internen Regelungsfunktionen erfolgen auf der Gatter-Ebene. Die HF-Sendeleistung der COM-Stufe beträgt 100 mW im Low-Power-Modus und 400 mW im High-Power-Modus. In der voreingestellten Konfiguration wird jede vierte Telemetrie-Übertragung im High-Power-Modus aus-geführt.

Der hier zum Einsatz kommende Single-Chip-Transceiver ist für einen Frequenzbereich von 200 MHz bis 900 MHz ausgelegt. Der Transceiver ist für kurze bis mittlere Übertragungsdistanzen konzipiert, sodass seine maximale Sendeleistung weniger als 16 dBm beträgt. Da dies für die erforderliche Entfernung nicht ausreicht, ist ein zusätzlicher HF-Leistungsverstärker zwingend erforderlich.

Um dennoch die Leistungsaufnahme nicht übermäßig ansteigen zu lassen, sind stets nur die tatsächlich erforderlichen Funktionen eingeschaltet. Das Ein- und Ausschalten innerhalb der COM-Einheit koordiniert ein aus Logikgattern aufgebauter Zustandsautomat. Die nötige Redundanz bringt weitere Komplika-tionen für das Design mit sich. Sämtliche im Blockschaltbild dargestellten Funktionsabschnitte sind doppelt vorhanden, und die Umschaltmechanismen müssen sorgfältig geplant werden und einwandfrei funktionieren, um alle denkbaren Störungen zu berücksichtigen.

Den Wechsel zwischen den redundanten Komponenten steuert der OBC. Es wurden die Modulationsverfahren OOK und 2-GFSK realisiert. Für die Downlink-Verbindung stehen drei mögliche Betriebsarten mit zwei Modulationsverfahren zur Verfügung. Die erste Betriebsart arbeitet mit dem On-Off-Keying (OOK). Da der MASAT-1 das Amateurfunk-Frequenzband nutzt, muss jede Übertragungssequenz mit dem Rufzeichen des Satelliten (HA5MASAT) eingeleitet werden. Zu diesem Zweck wird die OOK-Modulation mit dem Morse-Code verwendet.

  • Das Stromversorgungssystem (Electrical Power System - EPS):

Das Stromversorgungssystem ist dafür ausgelegt, die primären und sekundären Energiequellen des Satelliten zu managen und die Energie an die verschiedenen Subsysteme an Bord zu verteilen. Wegen der betriebsentscheidenden Bedeutung dieses Systems hatte die Zuverlässigkeit bei seinem Design höchste Priorität. Ähnlich wie die übrigen Subsysteme des Satelliten ist auch die Stromversorgung redundant ausgeführt, um zu verhindern, dass ein Fehler das gesamte System lahmlegen kann.

Die wichtigsten Energiequellen des MASAT-1 sind die Solarpanels an den sechs Seiten des würfelförmigen Satelliten, welche die Elektrizität für den Betrieb erzeugen, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Über sechs unabhängige Anpassungsschaltungen speisen die Solarpanels ihre Energie in den ungeregelten Stromversorgungs-Bus ein. Dabei werden die Ströme aus den einzelnen Panels mithilfe in Serie geschalteter, isolierender Dioden aufsummiert.

Rückströme in abgeschattete oder defekte Panels werden hierdurch verhindert. Wenn der Satellit auf seiner Umlaufbahn den Erdschatten durchläuft, erfolgt die Stromversorgung aus einem als sekundäre Energiequelle dienenden Akku, der aus einer Lithium-Ionen-Zelle besteht. Da dieser Akku direkt mit dem bordeigenen Stromversorgungs-Bus verbunden ist, wird dessen ungeregelte Spannung vom Ladezustand des Akkus bestimmt.

An den Bus angeschlossene Filterkondensatoren verhindern, dass plötzliche Lastwechsel zu extremen Spannungsschwankungen führen und sich Störereignisse weiter verstärken. Zwei ebenfalls in kalt redundanter Konfiguration betriebene Abwärtswandler erzeugen die von den Subsystemen an Bord benötigte, geregelte Betriebsspannung von 3,3 V. Die Bordenergie wird mit den stabilisierten 3,3 V über LSW-Strombegrenzer-Schalter verteilt und vom Bordcomputer kontrolliert.

Das Design

Es gibt nur wenige Entwurfssysteme, die mit einer umfassenden Funktions- und Servicepalette für die eben skizzierten Anforderungen aufwarten können. Das Software-Werkzeug »Designer« von Altium erfüllt die Anforderungen; so unterstützt es etwa die Versionskontrolle, die für die Entwicklung von Hard- und Software von entscheidender Bedeutung ist.

Darüber hinaus unterstützt das Produkt den Export im PDF- und XLS-Format. Alle diese Funktionen sind für das korrekte Management von Designprojekten unerlässlich. In Anbetracht des fortschreitenden Vordringens der dreidimensionalen Grafik wird die 3-D-Modellierung immer mehr zum Standard, und auch »Designer« kann damit umgehen.

In diesem speziellen Fall trugen vor allem die flexiblen Einsatzmöglichkeiten der Software, die eine reibungslose Zusammenarbeit mit den für die Mechanik zuständigen Ingenieuren ermöglichten, zur Einhaltung der Kostenvor-gaben bei.

Nach Fertigstellen eines Schaltplans erfolgte rasch das Leiterplattendesign (Bild 2), und die produzierten Platinen konnten sowohl die Vibrationsprüfungen als auch die Wärme- und Vakuumtests erfolgreich absolvieren.

Am 13. Februar 2012 schließlich begann MASAT-1 (Bild 3) gemeinsam mit sieben anderen Picosatelliten im Rahmen des Cube-Sat-Programms der ESA seine Reise in den Orbit. Vom Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana startete er an Bord einer »Vega«-Rakete und sendet seitdem auf der Funkamateur-Frequenz 437,345 MHz ± Doppler-Verschiebung, schlimmstenfalls ±10 kHz.

Über die Autoren:

Gabor Marosy ist Doktorand am Department of Electron Devices der BME und Olaf Herbst ist Regional Mananger Marketing EMEA bei Altium.

Unendliche Weiten   
Zum Profil des Fachbereichs elektronische Bauelemente an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der BME gehören hochkarätige Forschungs- und Ausbildungsaktivitäten in der Theorie, dem Design, der Produktion und der Prüfung von Halbleiterbauelementen, Mikro- und Nanotechnologie-Bausteinen, VLSI-Lösungen, Halbleitersensoren, Energy-Harvesting-Einheiten, MEMS-Komponenten und System-on-Chip-Bausteinen. Mit ihrem Know-how in der Halbleitertechnik für extreme Umgebungsbedingungen sowie im Design und der Entwicklung von Software war diese Einrichtung dafür prädestiniert, an der Konstruktion des ersten ungarischen Mikrosatelliten MASAT-1 mitzuwirken. Dieser wurde in Zusammenarbeit mit dem zur gleichen Fakultät gehörenden Fachbereich Breitband-Infokommunikation und elektromagnetische Theorie gebaut. Abgesehen von den Entwicklungs- und Konstruktionsaktivitäten hat das MASAT-1-Projekt auch entscheidende Ausbildungsprogramme angestoßen, zu denen ein Studiengang des Fachbereichs elektronische Bauelemente hehört.