Unser Planet wird ständig von Funksignalen von Navigationssatelliten überschwemmt, die weit über die reine Navigation hinaus nützlich sind. Spezielle Weltraummissionen erfassen diese Signalreflexionen, um wertvolle Umweltinformationen zu sammeln. Der schuhkartongroße PRETTY CubeSat, der mit Europas nächster Vega-Trägerrakete fliegt, wird eine neue Frequenz und einen neuartigen Beobachtungswinkel untersuchen, um die Geschwindigkeit des Klimawandels besser messen zu können – und gleichzeitig Strahlungsdaten über die umgebende Weltraumumgebung sammeln.
Die Mission PRETTY, Passive REflecTometry und DosimeTrY, wird bis zum Horizont blicken, um Signale von direkt darüber sichtbaren Satelliten des Global Navigation Satellite System (GNSS) zu empfangen. Zwei Patchantennen auf seiner Vorderseite werden das gleiche Signal vom gleichen Satelliten empfangen – oder besser gesagt ein Signal, das ihn durch den Weltraum erreicht hat, und das entsprechende Signal, das von der Kryosphäre oder den Ozeanen der Erde reflektiert wurde.
Mit einer hochentwickelten Version von „Spot the Difference“ vergleicht PRETTY die Zwillingssignale an Bord, um die Eis- und Meereshöhe mit einer Genauigkeit von mindestens 50 cm aus einer Umlaufhöhe von 550 km abzuleiten.
In der Zwischenzeit wird ein miniaturisiertes Dosimeter die laufende Strahlungsexposition des CubeSat verfolgen und Daten sammeln, die dazu beitragen werden, die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit zukünftiger Kleinsatelliten sicherzustellen.
Umweltdaten aus reflektiertem Satellitennavigationssystem
Der ESA-Radiometeringenieur Manuel Martin Neira war der ursprüngliche Erfinder des GNSS-„Reflektometrie“-Konzepts, das heute von zahlreichen Missionen weltweit aktiv genutzt wird, um vergleichsweise kostengünstige Höhen- und Scatterometrie-basierte Wind- und Wellendaten zu erfassen.
Er erklärt, dass PRETTY einige wichtige Innovationen beinhaltet. „Bestehende Reflektometriemissionen blicken direkt nach unten, aber eine solche vertikale Geometrie führt zu einer sehr rauen Meeresoberfläche. Wenn man in einem flachen Winkel nach unten blickt, erscheint das Meer glatter – ähnlich wie Jalousien je nach Bedarf offen oder geschlossen erscheinen können.“ Der Winkel, in dem Sie sie beobachten, ändert sich. Das Ergebnis ist, dass reflektierte GNSS-Signale wiederum kohärenter bleiben.
„Darüber hinaus nutzt PRETTY zum ersten Mal eine neue GNSS-Frequenz und nutzt dabei die längerwellige E5/L5-Frequenz, wie sie von europäischen Galileo- und US-amerikanischen GPS-Satelliten übertragen wird. Das PRETTY-Team nahm diese Änderung spät in der Missionsentwicklung vor, gesteuert vom Boden.“ Tests, die in diesem Frequenzband eine überlegene Genauigkeit zeigten.“
Camille Pirat, Systemingenieurin in der CubeSat-Systemeinheit der ESA und technische Leiterin von PRETTY, fügt hinzu: „Die maßgeschneiderte Antenne, die für die Reflektometrie in E5/L5 benötigt wird, ermöglicht auch die sogenannte Strahlformung, eine Technik, die es der Nutzlast ermöglicht, aktiv und gleichzeitig die direkte Ausrichtung zu verfolgen.“ und reflektierten Signalen der GNSS-Satelliten, was den Umfang der Technologiedemonstration weiter vergrößert.“
Rein österreichisches Team
PRETTY wurde durch das General Support Technology Program der ESA von Österreich finanziert und von einem rein österreichischen Konsortium entwickelt, wobei Beyond Gravity Austria als Hauptauftragnehmer die Reflektometrie-Nutzlast entwickelte, Seibersdorf Laboratories eine Strahlungsdosimeter-Nutzlast beisteuerte und die Technische Universität Graz als Gesamtsystemintegrator fungierte und Betreiber.
„Beyond Gravity arbeitete mit Manuel an der Entwicklung des Reflektometrie-Verarbeitungskerns, der im Rahmen eines früheren ESA-Projekts auf PRETTY geflogen wurde“, sagt Andreas Dielacher, Systemingenieur beim Unternehmen.
„Als nächstes suchten wir nach einer Flugmöglichkeit – zunächst hofften wir auf die Internationale Raumstation oder auf einen Platz an Bord des von der TU Graz betreuten OPS-SAT CubeSat. Dann veranlasste uns der Erfolg von OPS-SAT, über eine eigene CubeSat-Mission nachzudenken. Tatsächlich.“ PRETTY war schließlich der allererste CubeSat von Beyond Gravity.
Intensives Rechnen
CubeSats sind kleine, günstige Satelliten, die aus standardisierten 10-cm-Boxen aufgebaut sind und alle notwendigen Systeme sowie Missionsnutzlasten beherbergen. Im Fall von PRETTY arbeitet sein Verarbeitungskern in Kombination mit den Patch-Antennen und einem softwarebasierten Radio und bietet zusätzliche Flexibilität während der Inbetriebnahmephase nach dem Start.
„Wir werden tatsächlich zwei Methoden anwenden, um die ursprünglichen und reflektierten Signale zu korrelieren“, sagt Andreas Johann Hörmer, Leiter der Mission an der TU Graz. „Die erste ist die Standardtechnik, die den in das Signal eingebetteten Code nutzt. Die zweite besteht darin, die höherfrequenten Navigationssignale selbst zu nutzen und ihre unterschiedlichen Signalphasen durch eine Methode namens „Interferometrie“ direkt zu vergleichen.“
„Diese letztere Methode ist rechenintensiver, erfordert viel Strom und erzeugt Abwärme. Aus diesem Grund führen wir normalerweise zwei Beobachtungssitzungen von jeweils maximal einer halben Stunde pro Tag durch und ruhen uns in der Zwischenzeit aus, um die Ergebnisse auf unseren Boden zu übertragen Stationen und ermöglichen die Ableitung der Wärme. Und normalerweise beobachten wir in der örtlichen Dämmerung oder in der Nacht. Durch die Vermeidung von Hitze durch Sonnenlicht erhält unser Empfänger ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.“
Ein wissenschaftliches Konsortium wartet darauf, die Höhen- und Scatterometriedaten von PRETTY zu nutzen, koordiniert von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie.
Andreas Dielacher fügt hinzu: „Für mich werden die wissenschaftlich spannendsten Beobachtungsorte die Pole sein, denn dort werden wir im Laufe der geplanten einjährigen Laufzeit der Mission wahrscheinlich die größte Änderung der Oberflächenhöhe erleben – obwohl.“ In der Praxis hoffen wir, dass wir noch länger weitermachen können.“
Strahlungskartierer
Die sekundäre Nutzlast von PRETTY ist ein miniaturisiertes Dosimeter für Weltraumstrahlung, SATDOS, das während der gesamten Mission im Einsatz sein wird, um eine verlässliche Karte der erdnahen Umlaufbahn zu erstellen. Sein Entwickler Seibersdorf Laboratories ist auf die Prüfung der Strahlungshärtung von Satellitenkomponenten spezialisiert. SATDOS wird verschiedene Strahlungseinflüsse auf Satellitensysteme messen, von vorübergehenden „Einzelereigniseffekten“ bis hin zu Effekten der „gesamten ionisierenden Dosis“, die die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems allmählich zunichte machen.
Christoph Tscherne, PRETTY-Projektleiter bei Seibersdorf Laboratories, kommentiert: „Die Analyse der beobachteten Strahlungseffekte mit SATDOS ermöglicht es uns, fundierte Einschätzungen des aktuellen Weltraumwetters und der Zuverlässigkeit der Satellitenelektronik zu treffen – und so zur Nachhaltigkeit zukünftiger Weltraummissionen, insbesondere kleinerer, beizutragen.“
PRETTY wurde durch das Fly-Element des GSTP der ESA unterstützt, mit dem Ziel, frühzeitige Weltraumtests innovativer Technologien durchzuführen.
„Unser Team hat durch die Zusammenarbeit mit dem ESA CubeSat-Team sicherlich viel gelernt“, sagt Andreas Johann Hörmer. „Es gibt eine Menge Wissen, auf das wir in allen möglichen Bereichen zurückgreifen können, einschließlich aller Dinge, die schiefgehen könnten, und wie man sie beheben kann.“
Zusammen mit seinen wichtigsten Satellitennutzlasten trägt der Vega-Flug VV23 dieser Woche mehrere CubeSats, darunter den Proba-V Companion CubeSat der ESA, der die Fähigkeit eines Nanosatelliten zur Erdbeobachtung testet, sowie mehrere Missionen, die im Rahmen des In-Orbit-Demonstrations-/In-Orbit-Validierungsprogramms der Europäischen Kommission geflogen wurden.