Das Testen neuer Satelliten und weltraumgestützter Technologien war noch nie so einfach genau, aber es könnte definitiv sein Einfacher. Slingshot 1, eine 12U-Cubesat-Mission, die gerade über Virgin Orbit gestartet wurde, ist ein Versuch, das Bauen und Testen eines neuen Satelliten so einfach zu machen wie das Anschließen einer neuen Tastatur an Ihren Computer.
Zu sagen, es sei „USB für den Weltraum“, ist reduktiv … aber nicht falsch. Das Team der Aerospace Corporation, das das neue System entwickelt hat, führt den Vergleich selbst durch und stellt fest, dass das Militär mehrere Versuche unternommen hat, genau dies mit der Space Plug-and-Play Architecture (SPA) zu schaffen, die zur Modular Open Network ARCHitecture (MONARCH ) und dem Common Payload Interface Standard (CoPaIS). Aber die Ansätze haben nicht abgenommen, zum Beispiel der Cubesat-Standard – der übrigens auch von Aerospace wegbereitet wurde.
Das Ziel von Slingshot 1 ist es, einen Standard-Satellitenbus zu schaffen, der so anpassungsfähig und einfach zu verwenden ist wie USB oder ATX, offene Standards verwendet, aber auch alle notwendigen Anforderungen an Sicherheit, Leistung usw. erfüllt:
[Slingshot] bietet mehr Agilität und Flexibilität bei der Satellitenentwicklung durch die Verwendung modularer Plug-and-Play-Schnittstellen. Diese Schnittstellen nutzen Open-Source-Systeme, um proprietäre Lock-Ins zu vermeiden, die die Entwicklung blockieren könnten, sowie standardisierte Schnittstellen für Nutzlasten, die keinen angepassten Satellitenbus erfordern würden. Diese Schnittstellen legen die Energie-, Befehls-, Steuerungs-, Telemetrie- und Missionsdaten fest, die für Nutzlasten erforderlich sein können. Ohne eine Reihe gemeinsamer Standards werden diese Anforderungen von der Nutzlast zum Satellitenbus von verschiedenen Herstellern von Satellitenbussen bestimmt. Slingshot eliminiert diese Ungewissheit, indem es die Anzahl der Anforderungen und die Komplexität der Schnittstelle reduziert und einen offenen Payload-Schnittstellenstandard namens Handle erstellt.
Wie wird es die übliche Falle vermeiden, auf die Möchtegern-Standard-Standardisierer stoßen, von XKCD verewigt: jetzt gibt es N+1-Standards?
Abgesehen von dem ziemlich beklagenswerten Zustand der Standards in der Satellitenwelt, falls es überhaupt welche geben kann, entschied sich das Team, das Ganze auf Ethernet zu stützen, das bereits eine große Menge an Netzwerken in der Welt untermauert.
„Die Ethernet-Basis des Handle-Standards baut auf dem riesigen Ökosystem von Hardware- und Software-Tools auf, die für diese sehr verbreitete Schnittstelle entwickelt wurden, wobei im Wesentlichen der gebräuchlichste terrestrische Systemstandard genommen und für die Satellitennutzung migriert wird“, sagte Dan Mabry, Senior Engineer Specialist bei Aerospace. „Wir haben das Netzwerk auf geringen Stromverbrauch zugeschnitten, unterstützen aber weiterhin Gigabit-pro-Sekunde-Kommunikation zwischen Geräten, ohne dass eine benutzerdefinierte Softwareentwicklung erforderlich ist, um das Netzwerk für jede neue Anwendung anzupassen.“
Und wie er es bei Aerospace ausdrückte schrieb Slingshot für seine eigenen Zwecke im vergangenen Jahr: „Wenn eine Nutzlast angeschlossen wird, wird sie sofort erkannt und funktioniert, und alle gesendeten Daten gelangen zum Downlink des Raumfahrzeugs, ohne dass die Software an Bord abgestimmt oder angepasst werden muss. Da es sich außerdem um ein Bordnetz handelt, werden die Daten dieser Nutzlast auch von allen anderen Nutzlasten gesehen. Nutzlasten können problemlos in Echtzeit zusammenarbeiten, und verteilte intelligente Sensoren und Prozessoren werden durch die grundlegende Architektur gekoppelt.“
Kombinieren Sie dies mit einem Power-Hub, der eine Vielzahl von Anforderungen intelligent erfüllen kann, und einem modularen Gehäuse, das das Ganze wie die Rückseite eines gut organisierten Gaming-PCs aussehen lässt, und Sie haben ein Rezept für Plug-and-Play, das wirklich funktioniert Dinge einfach für den angehenden Designer.
Das zusammengebaute Slingshot 1-Setup ohne sein äußeres Gehäuse.
Hannah Weiher, Programmmanagerin bei Slingshot, drückte es so aus: „Es arbeitet daran, die Schnittstellenkomplexität zu reduzieren und verschiedene Satellitenbusse und Nutzlasten mit minimaler bis gar keiner Anpassung an die Schnittstelle zu unterstützen. Handle war der Schlüssel zu einem optimierten Nutzlast-Integrationsprozess auf Slingshot 1, wo wir eine breite Palette von Nutzlasten mit unterschiedlichen Anforderungen hatten und es uns ermöglichte, das Volumen der Nutzlasten, die wir in einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons aufgenommen haben, zu integrieren.“
Natürlich reicht es nicht aus, einfach ein Barebone-Interface hochzuschicken – stellen Sie sich vor, Sie schicken ein PC-Gehäuse ohne Inhalt hoch. Um zu sehen, ob es funktioniert, müssen Sie Dinge anhängen, und glücklicherweise gibt es eine Menge Experimente und Fähigkeiten, die die Luft- und Raumfahrt seit der Entstehung von Slingshot im Jahr 2019 gespart hat.
- Griff – Elektrisches Plug-and-Play-Nutzlast-Schnittstellenmodul
- Bender – Integriertes Ethernet- und Netzwerk-Routing
- t.Spoon – Modulare mechanische Schnittstelle
- t.Spoon Camera – Plug-and-Play-Kameramodul
- t.Spoon-Prozessor – Zynq Ultrascale+ Onboard-Verarbeitung
- Starshield – Onboard-Malware-Erkennung
- CoralReef – Korallen-Tensor-Verarbeitungseinheit
- Starfish – Sichere ARM Cortex-M33 Onboard-Verarbeitung
- SDR – S-Band Software-Defined Radio (SDR)-Downlink
- Keyspace – Kryptografische Dienste für SmallSats
- Lasercom – Space/Boden-Lasercom-Downlink der nächsten Generation
- ROESA – Verwendung von Internet of Things-Protokollen zur Verbindung von Nutzlasten
- Vertigo – Rekonfigurierbares Lageregelungssystem
- Blinker – GPS-Transponder für das Verkehrsmanagement im Weltraum
- Hyper – SmallSat Wasserstoffperoxid-Triebwerk
- ExoRomper – Testumgebung für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen
Einige davon sind mehr oder weniger selbsterklärend, wie die verschiedenen Komponenten von t.Spoon, die die mechanischen Kernelemente bilden, die das Ganze zusammenhalten. Und natürlich brauchen Sie einen netten softwaredefinierten Funk-Downlink. Aber eine Tensor Processing Unit und ein Testbed für maschinelles Lernen auf einem Satelliten? Protokolle für das Internet der Dinge? Kryptografische Dienste?
CG-Ansicht von Slingshot wird erweitert, um seine Komponenten anzuzeigen.
Als ich vor einiger Zeit während eines Besuchs in den Labors der Luft- und Raumfahrt mit dem Team sprach, sprachen sie darüber, dass vieles, was auf Slingshot zu sehen ist, in gewisser Weise beispiellos ist, es aber mehr um die Anpassung allgemeiner terrestrischer Aufgaben an den extrem formalisierten und begrenzten Kontext eines Satelliten geht Hardware und Software.
Angenommen, Sie haben drei oder vier Nutzlasten, die sich einen Prozessor und Speicher teilen. Wie stellen Sie sicher, dass ihre Kommunikation sicher bleibt? Genauso wie am Boden, aber angepasst an die leichte Verarbeitung, die begrenzte Leistung und die ungewöhnliche Schnittstelle eines Raumfahrzeugs. Sicher, sichere Verarbeitung und Kommunikation im Weltraum wurden schon früher durchgeführt – aber es ist nicht so, als gäbe es eine Plug-and-Play-Version, bei der Sie einfach auf ein Kontrollkästchen klicken und plötzlich Ihre Nutzlast vollständig verschlüsselt ist.
Ähnlich ist ExoRomper, der eine extern montierte Kamera hat, die in das TPU eingehakt ist. Es gab bereits ein bisschen KI im Weltraum, aber noch nie ein Setup, bei dem Sie sagen können: Oh, sicher, Sie können Ihrem Satelliten eine Wolkenerkennung hinzufügen, das kostet 2 Watt, 20 Kubikzentimeter und 275 Gramm. Dieser ist insbesondere so eingerichtet, dass er den Satelliten selbst beobachtet und die Lichtverhältnisse betrachtet – etwas, das die thermischen Belastungen und die Belastbarkeit ernsthaft beeinflusst. Warum sollte Ihr Satellit nicht einen eigenen Satelliten haben, der darauf achtet, dass es keine heißen Stellen auf den Solarzellen gibt?
Daten werden von Slingshot eingehen, da es in den kommenden Monaten seine vielen Komponenten und Experimente testet. Es könnte der Beginn einer neuen modularen Ära für Kleinsatelliten sein.