Nutzlast des Kleinsatelliten Flying Laptop

Mit dem geplanten Start mehrerer Kleinsatelliten hat sich das Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart zum Ziel gesetzt, eine Plattform für die Erprobung neuer Technologien zu schaffen und gleichzeitig die Ausbildung von Studenten und Doktoranden durch praxisnahe Projektarbeit zu fördern. Im Rahmen dieses Programms ist der Flying Laptop der erste zu bauende Kleinsatellit, dessen Missionsziele in den Bereichen Technologieerprobung und Erdbeobachtung definiert sind. Hierfür sollen zwei Kamerasysteme zum Einsatz kommen, eine Multispektralkamera mit 3 Kanälen und eine Infrarotkamera. Eine Besonderheit des Flying Laptop ist das auf FPGA-Technologie basierende Rechnersystem, mit welchem sämtliche Subsysteme zentralisiert angesteuert werden sollen.

Für die Entwicklung der genannten Nutzlasten spielt die Berücksichtigung des universitären Umfelds eine wichtige Rolle. Dies bezieht sich zum Einen auf die erst noch zu entwickelnde Infrastruktur und Erfahrung in der Entwicklung von realer Hardware. Zum Anderen erfordern Ausstattung und finanzielle Möglichkeiten es, alternative Prozesse zu beschreiten und bevorzugt auf kommerzielle Komponenten zurückzugreifen, welche für den Einsatz im Weltraum umgerüstet werden müssen.

Unter den oben genannten Voraussetzungen ist es Ziel dieser Arbeit die beiden Nutzlastsysteme für den Flying Laptop zu entwickeln. In einem ersten Schritt werden hierfür die Ziele und Aufgaben der beiden Instrumente festgelegt und daraus resultierende Anforderungen an andere Subsysteme abgeleitet. Dies betrifft in erster Linie das Lageregelungssystem, welches die notwendige Ausrichtegenauigkeit und Lageinformationen bereitstellen muss.
Ausgehend von den Zielen können die Anforderungen für die beiden Nutzlastkameras abgeleitet werden. Hierbei steht für die multispektrale Kamera die Messung der Bidirektionalen Reflektionsverteilungsfunktion (BRDF) im Mittelpunkt, während die Infrarotkamera als Technologieerprobung vorgesehen ist. Ziel dieser Kamera ist die Verwendung eines ungekühlten Mikrobolometer in Verbindung mit einem dualen Spiegelsystem für Infrarotoptik und Ka-Band Antenne. Für beide Systeme steht ausserdem die Ansteuerung über den FPGA-Bordrechner im Mittelpunkt.

Für die multispektrale Kamera wurde eine Konfiguration mit drei einzelnen Kameras für die erforderlichen Spektralkanäle gewählt. Jede Kamera besteht aus einer identischen Elektronikeinheit und Optik. Die unterschiedlichen Interferenzfilter werden vor der Optik installiert, um die Winkelabhängigkeit zu minimieren. Darüber hinaus ist jede Kamera mit einer doppelten LED-Kalibrationseinheit ausgestattet welche innerhalb der Optik vor den Filtern implementiert ist. Dadurch ergibt sich eine leichte Abschattung, welche jedoch einem Kalibrationsmechanismus aus Sicherheitsgründen vorgezogen wird. Diese Kalibrations-LEDs werden gepulst betrieben, wodurch sich eine Temperaturstabilisierung nach kurzer Zeit einstellt und die temperaturabhängige Charakteristik minimiert. Als Sensor wird ein CCD- Linetransfer-Sensor verwendet für den eine raumfahrttaugliche Ausleseelektronik entwickelt wurde, da kein kommerzielles Modell für Anpassungen zur Verfügung steht. Auf Grund der speziellen Anforderungen an Temperaturstabilität und Ausgasen wurde des Weiteren eine raumfahrttaugliche Optik entwickelt. Das gesamte Kamerasystem ist mit den Sternkameras auf einer optischen Bank montiert. Dies garantiert eine optimale Genauigkeitsinformation bezüglich der Ausrichtung, was für die Nachbearbeitung der Daten am Boden von Vorteil ist.

Für die Infrarotkamera steht keine direkte wissenschaftliche Anforderung im Mittelpunkt. Zwei technische Demonstrationen sind hierfür von zentraler Bedeutung. Zum Einen die duale Nutzung eines Spiegelsystems für hochauflösende Infrarotoptik und Ka-Band Antenne und zum Anderen der Einsatz von ungekühlten Mikrobolometern als Sensoren. Speziell durch die wachsende terrestrische Anwendung von Mikrobolometern ist eine starke technische Weiterentwicklung dieser Sensortechnologie im Gange welche auch für die Anwendung in der Raumfahrt für zukünftige Missionen von grossem Interesse ist, da sie eine drastische Vereinfachung der Kameras bedeutet. Darüber hinaus kann mit einem dualen Spiegelsystem ein hocheffizientes und kompaktes Design realisiert werden, welches speziell für die wachsende Bedeutung von Kleinsatelliten und dem steigenden Datenvolumen von grossem Interesse ist.

Mit Hilfe des FPGA Bordrechnersystems wird ausserdem gezeigt, welche Vorteile diese Systeme gegenüber einem Prozessor basiertem System besitzen. Dies spiegelt sich sowohl in der Zeit genauen Ansteuerung wieder, als auch in den sich ergebenden Möglichkeiten für die Echtzeitverarbeitung der Daten. Die verschiedenen Vorteile sind in dieser Arbeit aufgeführt und beschrieben. Allerdings wird erst die Praxis später zeigen, wie hilfreich diese Funktionalität wirklich ist.