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TU Berlin

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Projektwerkstatt SatOps

Logo der Projektwerkstatt SatOps
Lupe [1]

Die Projektwerkstatt SatOps ist eine studentisch organisierte Lehrveranstaltung, welche es den Studierenden ermöglicht, die Theorie und Praxis des Satellitenbetriebs zu erlernen. Die neuesten TU-Satelliten im Erdorbit werden üblicherweise prioritär betrieben. Die Projektwerkstatt basiert auf der Idee, die etwas älteren Universitätssatelliten wieder regelmäßig zu betreiben, indem sie für die Ausbildung neuer Studierender genutzt werden.

Es wird unterschieden zwischen dem unbenoteten 3 LP Grundkurs [2]Satellitenbetrieb [3] und dem benoteten 6 LP Projekt [4]Satellitenbetrieb [5].

Ergebnisse des Wintersemesters 2020/21

Der Osten Kanadas am 05.03.2021 aufgenommen mit BEESAT-9
Lupe [6]

Ein weiteres digitales Semester neigt sich dem Ende zu. Trotz dieser mittlerweile andauernden Herausforderung konnten wir dennoch einige Interessante Ergebnisse in der aktuellen Projektphase erarbeiten. Mithilfe von Experimenten wurde die BEESAT-2 [7] Performance weiterhin untersucht. Der CubeSat wurde bereits 2013 gestartet und war daher bereits acht Jahre der extremen Weltraumumgebung ausgesetzt.
BEESAT-3 [8], der zusammen mit BEESAT-2 gestartet wurde, wurde in diesem Semester erstmals erfolgreich im Rahmen der Projektwerkstatt (PW) betrieben. Ein Studierendenteam hat den Kontakt zum Satelliten geplant und dieser konnte erfolgreich aufgenommen werden. Außerdem wurde die Dokumentation der Betriebsabläufe verbessert.
Mit BEESAT-4 [9] wurden die GPS-Experimente des letzten Semesters fortgeführt. Auf Basis der Vorarbeit sind mehrere Szenarien mit Warmstart der GPS-Payload geplant und durchgeführt worden. Gegenüber einem Kaltstart, bei dem der Payload keine zusätzlichen Informationen vorgegeben sind, sind bei einem Warmstart der GPS-Payload Orbit- und Positionsinformationen bekannt. Das folgende Bild zeigt eine Simulation aus STK, einem Tool, das für die Vorbereitung des Szenarios verwendet wird.

STK-Simulation in Vorbereitung auf ein Missionsszenario am 02.02.21
Lupe [10]

In mehreren Experimenten wurden Möglichkeiten zur Verbesserung der Signalstärke während Überflügen über die Bodenstation untersucht. Dafür wurden die Antennen von BEESAT-9 [11] mithilfe des ADCS während eines Überfluges gezielt auf die Bodenstation ausgerichtet. Während des Überflugs wurde dann auf Satelliten- und Bodenstationsseite die Signalstärke geprüft. Es konnte gezeigt werden das eine gezielte Ausrichtung des Satelliten Potential bietet, die kurzen Kontaktzeiten effizienter nutzen zu können.
Erstmalig in der Projektwerkstatt ist über die eher technischen Themen hinaus der Aspekt Human Factors im Satellitenbetrieb analysiert worden. Speziell die besonderen Herausforderungen des Betriebes während einer Pandemie standen im Fokus. Dafür hat eines der Studierendenteams einen Fragebogen erarbeitet, welcher sich an Mitarbeiter*innen des Fachgebietes richtete, die mit den verschiedenen Satelliten arbeiten.

Tschadsee am 05.03.2021 aufgenommen von BEESAT-9
Lupe [12]

Ein weiteres Team hat sich mit der Softwareseite des Betriebes auseinandergesetzt. Dabei wurde eine neue Option für die Implementierung einer Schnittstelle im Bodensegments konzipiert. Damit könnten zukünftig verschiedene Betriebsaspekte unterstützt werden, so zum Beispiel die Datenaufbereitung und -analyse.
Abschließend wurde während des Semesters die Gründung eines Studentischen Betriebsteams auf den Weg gebracht. Dazu wird ein kleines Kernteam im kommenden Sommersemester in eine Pilotphase starten und Teilaufgaben des Betriebes übernehmen.

Im April werden bisherige Studierende der letzten drei Semester einen Überblick zu allen bisherigen Ergebnissen veröffentlichen. Auf dem „13th IAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation” wird in der Student Competition die PW mit einem Paper und Vortrag vorgestellt.

Auch in diesem Semester wurden einige Erdbeobachtungsszenarien durchgeführt. In zwei Szenarien entstanden so am 05. März 2021 die obige Aufnahme des reflektierten Sonnenlichts in Ostkanada, sowie die nebenstehende Aufnahme des Tschadsees, bei welcher die komplexe Struktur des Ostufers erkennbar ist. Beide Aufnahmen wurden mit BEESAT-9 [13] durchgeführt.
Entsprechend kann auf ein ereignis- und erfolgreiches Wintersemester zurückgeblickt werden. Trotz der digitalen Distanz konnte eine produktive und gute Arbeitsatmosphäre aufgebaut werden. Während einige Experimente bis in den März hinein weiterliefen und einige Themen auch über das Semester hinaus weiterverfolgt werden, startet im April eine weitere Gruppe motivierter Studierende, um auf den Ergebnissen der letzten drei Semester aufzubauen und die Projektwerkstatt weiter voranzutreiben.

Wintersemester 2020/2021

Gruppenfoto WS2020/21
Lupe [14]

Die Projektwerkstatt startet im Wintersemester 2020/21 nun in das dritte von zunächst vier geplanten Semestern. Seit dem Semesterstart erhielten die Studierenden einen umfassenden Einblick in den Ablauf einer Satellitenmission und allem was hierfür benötigt wird. Angefangen bei den Rahmenbedingungen im Weltraum und der Orbitmechanik, hin zu den Subsystemen eines Satelliten und dem Satellitenbetrieb über die Bodenstation der TU Berlin. Die neuen Erkenntnisse zum Satellitenbetrieb konnten auch bereits in Live-Übungen am EQM (Engineering Qualification Model) des BEESAT-9 angewandt werden.
Für die Projektwerkstatt können die Studierenden dieses Semesters neben dem Input durch die erfahrenen Tutoren auch bereits auf die Arbeiten der Studierendenteams der letzten beiden Semester zurückgreifen. Neben diesen Inputs bringen die Studierenden auch ihr Wissen aus dem jeweiligen Fachgebiet mit. Neben der Raumfahrttechnik sind die Fachgebiete Human Factors, Maschinenbau, Physikalische Ingenieurwissenschaften, Verkehrswesen, Wirtschaftsingenieurwesen und Wirtschaftsinformatik vertreten. Die einzelnen Projektgruppen führen die zum Teil noch nicht abgeschlossenen Themen der vergangenen Semester fort oder ergänzen diese Sinnvoll. Hierdurch kamen die folgenden sechs Projektgruppen zustande:

  • BEESAT-2/3 „Erhöhung der langfristigen Satellitenauslastung“
  • BEESAT-4 „GPS-Nutzlast; Satellitenlage und Signalstärke über Bodenstationen“
  • BEESAT-9 „Satellitenlage und Signalstärke über Bodenstationen“
  • Human Factors „Satellitenbetrieb während einer Pandemie“
  • Datendistribution „Konzeption und Entwicklung einer REST API zur Datenabfrage von Telemtriedaten“
  • Projektmanagement und Public Relations „Aufbau eines Studentischen Betriebsteams“

Abschluss des Sommersemesters 2020

Norddeutschland am 25.07.2020 aufgenommen von BEESAT-4
Lupe [15]
Norddeutschland am 25.07.2020 aufgenommen von BEESAT-4
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Das außergewöhnliche Sommersemester 2020 neigt sich dem Ende zu. Trotz der Schwierigkeiten durch ein vollständiges Online-Semester wurden die Projekte erfolgreich absolviert. In den letzten Wochen wurden noch zwei wunderbare Bilder von Deutschland’s Ostseeküste mit fantastischem Wolkenspiel durch BEESAT-4 aufgenommen. Es wurde ein weiteres GPS-Experiment für BEESAT-4 vorbereitet und erfolgreich ausgeführt. Zudem wurde im Laufe der letzten Wochen die Sichtbarkeit von BEESAT-9 für GPS-Satelliten untersucht. BEESAT-2 zeigte sich in voller Betriebspracht in seiner Vollsonnenbahn. Die Auswirkungen dieser Bahn auf die Subsysteme wurden analysiert. Mehrere Teams erarbeiteten ebenfalls Lösungen rund um den Betrieb für mehr Effizienz. Ein Julia-Tool für die Generierung von Kommandolisten wurde geschrieben, ein Ticketsystem für die Betriebsplanung und -koordinierung entworfen und ein Programm für die Betriebsprotokollierung aufgesetzt. Die PW SatOps adressiert Nachhaltigkeit. So wurde auch ein Blick auf den zukünftigen Betrieb am Fachgebiet Raumfahrttechnik geworfen. Da einige zukünftige Satelliten mit Antrieben ausgestattet sein werden, wurden in diesem Semester bereits Untersuchungen angestoßen, wie sich der Betrieb dahingehend verändern könnte. Die Schwerpunktfrage bezog sich auf die Besonderheiten im Betrieb bei Deorbit-Manövern.

Durch die Videomeetings und den engen Austausch in den Gruppen konnte in den einschränkenden Zeiten nichtsdestotrotz eine gute Stimmung beibehalten werden. Wir freuen uns daher schon auf das kommende Semester, neue spannende Herausforderungen und ein neues Team an motivierten begeisterten Studierenden. Bis dahin drücken wir dem Team von SALSAT die Daumen für eine reibungslose Integrationskampagne und einen erfolgreichen Start.

Sommersemester 2020

Gruppenfoto SS2020
Lupe [17]

Der Weltraum ist zu einer fundamentalen Ressource für das Leben auf der Erde geworden. Der sichere und erfolgreiche Betrieb von Raumfahrzeugen ist essentiell. Und genau diesen lernen am Fachgebiet Raumfahrttechnik schon die Studierenden.

Obwohl die Türen des Missionskontrollzentrums in diesem Semester erst mal geschlossen bleiben, konnte dank der Unterstützung der Tutoren über Zoom und remote Verbindungen auch ohne Präsenzveranstaltung die Projektwerkstat SatOps in das Sommersemester 2020 – digital starten. Dabei wird von den Studierenden aus unterschiedlichsten Fachgebieten wie der Informatik, Elektrotechnik und auch der Raumfahrttechnik, verschiedene Themen zu dem Motto BEESATs in der Weltraumumgebung in kleinen Gruppen bearbeitet.

Die Themen werden im Folgenden kurz von den Gruppen selbst beschrieben.

BEESAT-2: „Betrieb mit Einschränkungen“

Ziel ist es zu untersuchen, inwiefern ein normaler Betrieb trotz einiger weniger eingeschränkten Funktionalitäten möglich ist. Des Weiteren analysieren wir die Auswirkungen einer potentiellen Vollsonnenbahn.

BEESAT-4 „GPS-Nutzlast“

Unser Ziel ist der erfolgreiche Betrieb der GPS-Nutzlast von BEESAT-4, indem wir über ein „Horizon Pointing“ die Anzahl der erreichten GPS-Satelliten maximieren. Unsere Sekundärmission ist die Planung und Durchführung der Gruppenbildaufnahme mit anschließender Dokumentation.

Entwicklung eines Tools zur Betriebsprotokollierung

Unser Ziel ist die Entwicklung einer Webapplikation zur Protokollierung der Betriebsaktivitäten der Projektwerkstatt Satellitenbetrieb. Mit dieser App sollen der Ablauf und die Ergebnisse der PW festgehalten, abgerufen und ggf. in ein passendes Format (z.B. PDF) gebracht werden können. Die Applikation wird mit dem Web Framework Angular und einem Python Server implementiert.

BEESAT-9 „GNSS-Nutzlast“

Ziel dieses Arbeitspakets ist die Untersuchung der Integrität und Genauigkeit von GNSS Daten bei BEESAT-9:

  • Kann die GNSS-Nutzlast überhaupt für eine potentielle Orbitkontrolle verwendet werden? (Genauigkeit und Messfehler von GNSS Equipment)

  • Qualität der GNSS Daten bestimmen (Vergleich der GNSS Daten mit TLEs, Bestimmung der "Dilution Of Precision"

Projekt Management und Public Relations

Das PM Team wird die Projektteams koordinieren und deren einwandfreies Arbeiten ermöglichen und die spannenden Ergebnisse der Welt präsentieren.

Auf der Zielgeraden im Sommersemester bei der PW "SatOps"

Die Ostsee am 02.07.2020 aufgenommen von BEESAT-9
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Die Küste von Neuseeland am 09.07.2020 aufgenommen mit BEESAT-2
Lupe [19]

Die Projektwerkstatt SatOps erreicht die Halbzeit. Über 10 Wochen haben die Studierenden eine umfassende Einführung in die Orbitmechanik, Weltraumbedingungen und die Subsysteme von Satelliten erhalten. Dem folgten tiefe Einblicke in den Satellitenbetrieb inklusive der Infrastruktur am Fachgebiet Raumfahrttechnik, Betriebsprozeduren sowie die genutzten Betriebsprogramme. Um den Horizont noch etwas weiter zu spannen, hat die PW dieses Semester drei Gäste eingeladen. ESA Experte Dr. Vitali Braun hat eine tiefgehende Einführung in die Weltraumschrottbedingungen im Orbit gegeben und mit den Studierenden interessante Diskussionen über Gesetzmäßigkeiten und Betriebsbesonderheiten geführt. Zudem konnten wir Magomet Torschochojew und Mario Ionian der Amateurfunkgruppe der TU Berlin zu einem spannenden Ausflug in die Welt des Amateurfunks begrüßen. Den Corona-bedingten Einschränkungen verharrend konnten die Studierenden Betriebserfahrungen in Liveübungen mit den erfahrenen Tutoren sammeln, auch wenn der Besuch im Missionskontrollzentrum der TU Berlin leider ausbleiben musste.
Die Projektzeit lief zudem auf Hochtouren und die ersten vielversprechenden Ergebnisse wurden von unseren Teams erzielt. Einen Querschnitt wollen wir schon vor dem Abschluss des Kurses vorstellen.

Das BEESAT-2 Team trotzte den Einschränkungen im Betrieb und hat ein tolles Bild der Neuseeländischen Küste über Wellington gemacht (Bild links).
Die GPS-Nutzlast auf BEESAT-4 wurde schon erfolgreich gestartet. Zudem hat das BEESAT-4 Team in Kooperation mit dem BEESAT-9 Team zwei Aufnahmen von Schleswig-Holstein geplant und mit Hilfe der erfahrenen Betriebsteams ausgeführt. BEESAT-9 hat bereits etwas früher ein beeindruckendes Bild der Ostsee aufgenommen (Bild rechts).

Ein Team von Informatik-Studenten setzte sich an die Herausforderung der Entwicklung eines Tools zur Betriebsplanung. Zur Zwischenpräsentation erhielten wir bereits beeindruckende Einblicke in das Weblayout, die Struktur und die geplante Funktionalität.
Ein weiteres Studierendenteam hat sich Gedanken um die Orbitverweildauer der PW Satelliten gemacht. Die Satelliten sind funktionstüchtig und stehen noch einige Jahre im Orbit zur Verfügung, um Studierende auszubilden.

Alle Teams wurden von dem Projektmanagementteam begleitet und tatkräftig unterstützt. Des Weiteren wurde eine nachhaltige Social Media Strategie und Grundlagen für eine neue Betriebsplanung in der Projektwerkstatt ausgearbeitet.

Wintersemester 2019/20

Gruppenfoto WS2019/20
Lupe [20]

Das Wintersemester 19/20 markierte den Start der Projektwerkstatt. Dabei war das Semester in der Hinsicht besonders, dass zu Beginn der Projektphase die Auswirkungen der COVID-19 Pandemie eine komplette Planungsänderung zur Folge hatte. Das Team aus elf Studierenden arbeitete demnach von zuhause aus zwischen März und April 2020 in sechs Gruppen an sechs unterschiedlichen Projekten. Auf einige Informationen und Ergebnisse dieser Projekte wird im Folgenden eingegangen.

Planungstool

Alle TU Satelliten befinden sich im niederen Erdorbit. Dies führt zu mehreren Überflügen jedes Satelliten pro Tag. Allerdings ist der Live-Kontakt jederzeit durch einen Betreiber limitiert. Mit wachsender Anzahl an Satelliten wächst auch die Nachfrage an Live-Kontakt-Zeit für ihren Betrieb.

Zur Lösung dieses Problems erstellte das Team ein Tool zur Planung und Buchung von Überflügen. Als Leitfrage stellten sie:

Welcher Satellit ist wann wo und wer leitet das Experiment?“

Der Grundbaustein für dieses Planungstool wurde gesetzt und kann in den folgenden Semestern durch weitere Funktionen (wie zum Beispiel dem Buchen von Überflügen und dem Hinzufügen von einzelnen Satelliten und Bodenstationen) erweitert werden.

BEESAT-2, -4 und -9

BEESAT-2 fotografiert den Indischen Ozean am 06.04.2020
Lupe [21]
BEESAT-4 fotografierte den großen Salzsee in Utah, USA am 03.04.2020
Lupe [22]
BEESAT-9 fotografierte den Mond über Südamerika am 01.04.2020
Lupe [23]

Der Standard Satellitenbetrieb beruht auf aus Telekommandos zusammengestellten Prozeduren. Diese sind besonders im Notfall-Betrieb von großer Bedeutung und müssen daher stets aktualisiert sein.

Drei Gruppen arbeiteten zusammen mit den BEESATs -2, -4 und -9 der TU Berlin. Zusammen bauten sie ein ausführliches Nachschlagewerk für sämtliche Prozeduren der Satelliten auf, welches von den Studierenden der zukünftigen Semester genutzt und auch weiter überarbeitet werden kann.

Zusätzlich nahm sich jede Gruppe eine eigene Satellitenmission vor. Mithilfe einer Reihe von Tools planten sie zukünftige Überflüge ihrer Ziele und erstellten die notwendigen Prozeduren unter der Aufsicht der Tutoren.

Analyse von Satellitendaten

Im Laufe der Jahre ist durch die unterschiedlichen BEESAT-Projekte eine Reihe historischer Telemetriedaten zusammengekommen. Diese bieten ein breites Spektrum von Möglichkeiten zur Analyse und Auswertung, um neue wissenschaftliche Erkenntnisse über die Missionen zu gewinnen.

Die Einzelgruppe analysierte historische Daten des Energiesystems von BEESAT-9, entwickelte Verfahren zur Identifikation der Belichtungsverhältnisse aus den Daten und verglich die Leistung der unterschiedlichen Solarpaneele des Satelliten.

Projektmanagement und Public Relations

Um die Wahrnehmung der Projektwerkstatt in der Fachöffentlichkeit zu steigern, ist Presse- und Öffentlichkeitsarbeit unumgänglich.

Die Gruppe entwarf ein Logo und half beim Erstellen und Überarbeiten der Projektwerkstatt-Webseiten. Sie dokumentierte die Ergebnisse des Teams und fasste sie in englischer Sprache zusammen. Es wurden regelmäßig Tweets verfasst, um den Projektfortschritt während der Laufzeit mit der Öffentlichkeit zu teilen.

Einen Artikel über SatOps im DGLR-Magazin zu veröffentlichen sowie ein Video zur Projektwerkstatt sind in Planung. Zukünftige Semester haben unter Umständen die Möglichkeit an Events teilzunehmen und können erneut in Kontakt mit ESOC treten, um eine Exkursion zu organisieren.

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