TP4 · Applications of Nanosatellites

TP4 · Anwendungen von Kleinstsatelliten

Project lead: ZfT & JMU

Projektleitung: ZfT & JMU

The overall goal of subproject 4 within the consortium is to demonstrate the particular usefulness of the targeted new generation of nanosatellites through possible applications from the consortium. In subproject 4, analyses and assessments are carried out in the form of mission design and feasibility studies. Certain boundary conditions, such as the low altitude of a nanosatellite in low Earth orbit (LEO) or its agility, make it more attractive than a large satellite for the proposed use cases.

Das übergeordnete Ziel von Teilprojekt 4 im Rahmen des Gesamtverbundes ist die Demonstration der besonderen Nützlichkeit der angestrebten neuen Generation von Kleinstsatelliten anhand von möglichen Anwendungen aus dem Konsortium. In Teilprojekt 4 werden in Form von Missionsdesign und Machbarkeitsstudien Analysen und Bewertungen durchgeführt. Aufgrund bestimmter Randbedingungen, wie beispielsweise die niedrige Ausbreitungshöhe eines Kleinstsatelliten im LEO-Bereich oder dessen Beweglichkeit, machen diesen für die eingebrachten Anwendungsfälle interessanter als einen Großsatelliten.

The first application focuses on pico or nanosatellites as relays for radiosondes. The data from the radiosondes is to be recorded by a satellite system and fed directly into the internet by the satellite ground station. The focus here is on the coverage of the target area by a corresponding satellite network and on the design of typical system budgets such as energy, link and data budgets. More than 100,000 weather balloon sondes are launched every year, collecting meteorological data and sending it to the ground stations of the weather services. To increase the efficiency of radiosonde data, the use of a satellite system as a relay station is investigated, which can receive the radiosonde data and feed it directly into the internet via ground stations. This allows the number of ground stations to be reduced and a larger target area to be covered.

Die erste Anwendung konzentriert sich auf Pico- bzw. Kleinstsatelliten als Relais für Radiosonden. Die Daten der Radiosensoren sollen von einem Satellitensystem aufgezeichnet und direkt durch die Satellitenbodenstation ins Internet eingespeist werden. Die Abdeckung des Zielgebiets durch ein entsprechendes Satellitennetz sowie die Auslegung typischer Systembudgets wie Energie-, Link- und Datenbudget stehen hier im Fokus. Jährlich werden über 100.000 Wetterballonsonden gestartet, welche meteorologische Daten erheben und an die Bodenstationen der Wetterdienste senden. Um die Effizienz der Radiosondendaten zu steigern, wird der Einsatz eines Satellitensystems als Relaisstation untersucht, das die Daten der Radiosonden empfangen und über Bodenstationen direkt ins Internet einspeisen kann. Dadurch können die Anzahl der Bodenstationen reduziert und ein größeres Zielgebiet abgedeckt werden.

The second application deals with the development of a satellite system for capturing multispectral image data of bodies of water, for example for so-called biomonitoring. To guarantee continuous recordings during the satellite’s overflight, reflections on the water surfaces caused by solar radiation must be minimized. This can be done by suitable algorithms and appropriate body pointing of the satellite. The camera is to adapt flexibly to different lighting conditions in order to capture optimal images and data. The nanosatellite can re-orient itself sideways, a capability that a large satellite cannot easily achieve. Efficient algorithms are required to process the acquired data, converting the raw data into relevant information and analyzing water quality. It is also tested whether the recorded spectral data can already be preprocessed on the satellite in the OBC or the payload processor; for example, several spectral channels can be combined to reduce the volume of data to be sent to Earth.

Die zweite Anwendung befasst sich mit der Entwicklung eines Satellitensystems zur Aufnahme von multispektralen Bilddaten von Gewässern, beispielsweise für ein sogenanntes Biomonitoring. Um kontinuierliche Aufnahmen beim Überflug des Satelliten zu garantieren, müssen durch Sonneneinstrahlung verursachte Reflektionen auf den Wasseroberflächen minimiert werden. Dies kann durch geeignete Algorithmen und ein entsprechendes Body-Pointing des Satelliten vorgenommen werden. Die Kamera soll sich flexibel an unterschiedliche Lichtverhältnisse anpassen können, um optimale Bilder und Daten zu erfassen. Der Kleinstsatellit kann sich seitlich neu ausrichten, eine Eigenschaft, die ein Großsatellit nicht ohne weiteres hinbekommt. Zur Verarbeitung der gewonnenen Daten sind effiziente Algorithmen erforderlich, die die Rohdaten in relevante Informationen umwandeln und die Gewässerqualität analysieren. Ferner wird erprobt, ob bereits auf dem Satelliten eine Vorverarbeitung der aufgenommenen Spektraldaten im OBC oder im Payload-Prozessor erfolgen kann, beispielsweise können verschiedene Spektralkanäle zusammengefasst werden, um das zur Erde zu sendende Datenvolumen zu verringern.

The third application aims at transmitting data from a nanosatellite to the cockpit of an aircraft. Specifically, this concerns the transmission of weather data, for example the position of lightning strikes or a rain radar. The idea is to use a nanosatellite for this transmission of data to the cockpit, as it is much closer to the aircraft than a ground station. Within the mission design study, a satellite mission is designed whose space segment is suitable for the direct transmission of relevant data to the aircraft cockpit. This can improve flight safety and efficiency by giving pilots up-to-date information in real time.

Die dritte Anwendung zielt auf die Übertragung von Daten von einem Kleinstsatelliten in das Cockpit eines Flugzeugs ab. Konkret geht es um die Übermittlung von Wetterdaten, beispielsweise über die Position von auftretenden Blitzen oder einen Regenradar. Die Idee ist, für diese Übertragung der Daten ins Cockpit einen Kleinstsatelliten zu nutzen, der einen wesentlich geringeren Abstand zum Flugzeug aufweist als eine Bodenstation. Im Rahmen der Missionsdesignstudie wird eine Satellitenmission ausgelegt, deren Raumsegment für die direkte Übertragung von relevanten Daten ins Flugzeugcockpit geeignet ist. Dies kann die Flugsicherheit und Effizienz verbessern, indem Piloten aktuelle Informationen in Echtzeit erhalten.

For each of these applications, a mission design study is carried out in the course of subproject 4, in which a possible later satellite realization is fundamentally examined and its feasibility evaluated. These comprise the definition of requirements, mission and system design including orbit design and satellite design, the calculation of the required resources such as energy, data transmission and link budgets, and a feasibility analysis examining technical and schedule feasibility. For the radiosonde application, a demonstrator is additionally developed that can exchange data with a satellite by way of example.

Für jede dieser Anwendungen wird im Verlauf von Teilprojekt 4 jeweils eine Missionsdesignstudie durchgeführt, in welcher eine mögliche spätere Satellitenrealisierung grundlegend untersucht und deren Machbarkeit evaluiert wird. Diese umfassen die Definition der Anforderungen, das Mission & Systemdesign mit Orbitdesign und Satellitendesign, die Berechnung der benötigten Ressourcen wie Energie, Datenübertragung und Link-Budgets sowie eine Machbarkeitsanalyse zur Untersuchung der technischen und zeitlichen Machbarkeit. Für die Anwendung mit den Radiosonden wird zusätzlich ein Demonstrator entwickelt, der exemplarisch mit einem Satelliten Daten austauschen kann.