A novel design approach for small satellite communication with a fully integrated telemetry and telecommand unit compliant for CCSDS spacecraft communication

Im Rahmen der IEEE MTT-Sat Challenge untersucht die SmallSatGroup der Universität Bremen in diesem Projekt den Ansatz einer voll integrierten Telemetrie- und Telekommandoeinheit (TMTC) für die Kommunikation von Raumfahrzeugen auf einer Software-Defined Radio (SDR) Architektur welche mit moderner System-On-Chip (SoC)-Technologie und modernsten Front-End-Geräten entworfen wird. Der angestrebte Ansatz erlaubt somit eine bedarfsgerechte Neukonfiguration der Datenverarbeitung (z.B. Auswahl verschiedener Modulationsschemata oder Codierungsverfahren) sowie HF-Spezifikationen wie Frequenzbandauswahl oder Abtastratenanpassung. Diese Schlüsseltechnologien ermöglichen eine hochintegrierte Hardwarearchitektur, die auch für kleine Satellitenmissionen, z.B. für kostengünstige Cubesat-Projekte, geeignet ist.

Die SmallSatGroup der Universität Bremen ist eine Gruppe von Studierenden der Masterstudiengänge "Raumfahrtwissenschaften und -technologien", "Raumfahrttechnik" oder "Elektrotechnik und Informationstechnik" und wird von Mitgliedern des Arbeitsbereichs Nachrichtentechnik und DLR-Instituts für Raumfahrtsysteme geleitet. Ziel dieser Gruppe ist es, Techniken für die zukünftige Satellitenkommunikation auf Kleinsatelliten zu untersuchen.

Die heutige Kommunikation der Raumfahrzeuge beruht größtenteils auf der gleichen Architektur wie seit 10 Jahren. Der Grund dafür ist, dass die konservative Raumfahrtindustrie immer noch Hardware und Technologien verwendet, die in den letzten Jahrzehnten eingesetzt wurden, aber andererseits bekanntermaßen unter den rauen Bedingungen im Weltraum zuverlässig sind. Die Leistungsfähigkeit und Effizienz ist daher weit entfernt von dem, was mit modernsten Technologien erreicht werden kann. Als Beispiel für die digitale Signalverarbeitung kann die Verwendung von System on Chip (SoC), die einen Kompromiss zwischen FPGAs und hochleistungsfähigen digitalen Signalprozessordesigns darstellt, ein höheres Maß an Datenverarbeitungsintegration in einem Gerät ermöglichen und die Leistung und Effizienz solcher Systeme radikal steigern. Die Übertragung dieser SoC-Technologie auf Weltraumanwendungen, wie z.B. für das TMTC von Raumfahrt-Kommunikationssystemen, wurde als eine Kerntechnologie identifiziert und könnte enorme Vorteile hinsichtlich der Leistungssteigerung bringen und auch mehr Flexibilität, z.B. für Rekonfigurationsmöglichkeiten im Orbit, ermöglichen. Mit der SoC-Hardware lassen sich eine Vielzahl von Anwendungen mit dem Vorteil sehr flexibler und kosteneffizienter Implementierungen realisieren.

In diesem Projekt verfolgen wir diesen Ansatz, um eine vollintegrierte TMTC-Einheit für die Raumfahrzeugkommunikation auf einer software-definierten Funkplattform (SDR) zu implementieren. Das Design der vorgeschlagenen TMTC-Einheit soll dem Standard des Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) entsprechen und im Vergleich zu modernen TMTC-Architekturen eine höhere Flexibilität bei der Rekonfiguration der physikalischen Schicht und der Datenverbindungsschicht ermöglichen. Im Gegensatz dazu teilen übliche TMTC-Architekturen die TMTC-Datenverarbeitung auf dem Raumfahrzeug in die Funkeinheit und den Bordcomputer (OBC) auf. Die Funkeinheit realisiert das Kommunikations-Subsystem und ist für die Handhabung der physikalischen Schicht verantwortlich, während der OBC die weitere Datenverarbeitung von der Data Link Layer bis hin zur Anwendungsschicht übernimmt. Die vorgeschlagene voll integrierte TMTC-Einheit auf einer SDR-Plattform ist somit eindeutig eine neuartige Kommunikationsarchitektur für die zukünftige Raumfahrzeugkommunikation. Insbesondere für die kosteneffiziente Auslegung von Kleinsatelliten wird diese Plattform eine Schlüsselkomponente sein.

In diesem Projekt der Phase 1 soll die prinzipielle Architektur untersucht werden, um die verfügbare Hard- und Software zu identifizieren, so dass Empfehlungen für weitere Entwicklungsschritte gegeben werden können. Dabei wird das Team vom DLR Bremen mit seiner Expertise im Hard- und Softwaredesign für die Weltraumkommunikation unterstützt.

Details

Laufzeit: 11/2019 - 05/2020
Förderung:IEEE Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S)
Partner:Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Raumfahrtsysteme

Beteiligte Mitarbeiter

Zuletzt aktualisiert am 08.01.2020 von D. Wübben
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