Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme / Institut für Raumfahrtsysteme

Projekt EIVE

Exploratory In-Orbit Verification of an E/W-Band Satellite Communication Link.

Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE
Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE
Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE
Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE
Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE
Künstlerische Darstellung des 6U CubeSats EIVE

Zur Erschließung neuer Frequenzbereiche für die breitbandige Satellitenkommunikation und zur Sicherstellung des stetig wachsenden Bedarfs an Datenraten schlagen wir mit dem Projektvorhaben EIVE die weltweit erste In-Orbit-Verifikation einer Kommunikationsstrecke im E-Band[1] vor.

Geplant ist ein Daten-Downlink im Frequenzbereich 71-76 GHz von einem Nanosatelliten zu einer Bodenstation. Detaillierte Pegelplanrechnungen zeigen die Machbarkeit eines Daten-Downlinks beim Überflug im niederen polaren Erdorbit mit einer vollen Nutzbandbreite von 5 GHz und unter Einbeziehung realistischer Antennenabmessungen und Verfügbarkeiten.

Dabei kommt eine besonders leistungsfähige Sende- und Empfangstechnologie u.a. mit GaN Solid-State Power Amplifiern (SSPA) und GaAs rauscharmen Vorverstärkern (LNA)  zum Einsatz, die von den Projektpartnern in Vorgängerprojekten des DLR entwickelt und bereits zu terrestrischen Rekorddatenübertragungen im E-Band von bis zu 6 Gbit/s über 37 km Entfernung und 9.6 Gbit/s beim Überflug eines Flugzeugs im Abstand von bis zu 12 km um eine Bodenstation mit Antennennachführung eingesetzt wurde.

Die Partner des EIVE-Projektverbunds sind aufgrund ihrer Kompetenzen und der geleisteten Vorarbeiten hervorragend für die Umsetzung dieses Projektvorhabens qualifiziert. In den von der Gruppe um Prof. Kallfass koordinierten DLR-Projekten GISALI, ACCESS und ELIPSE entwickelten das Fraunhofer IAF, das Karlsruher Institut für Technologie, die Radiometer Physics GmbH und die Universität Stuttgart die bestehende E-Band Technologieplattform und setzten diese zuletzt in der weltweit ersten Datenübertragung zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation ein. Die Gruppe um Frau Prof. Klinkner an der Universität Stuttgart entwickelte und betreibt aktuell den Kleinsatelliten „Flying Laptop“. Mit der Tesat Spacecom stößt ein weiterer Industriepartner mit umfangreicher Expertise in Weltraumtechnologien zum Verbund dazu.   

Mit dem geplanten Daten-Downlink von einer Cubesat-Plattform zur Bodenstation soll einerseits die Machbarkeit breitbandiger Datenlinks in einem für die Satellitenkommunikation neuen Frequenzbereich in einer In-Orbit Verifikation demonstriert werden, andererseits sollen mit der geplanten Nutzlast Applikationen und Dienste der Erdbeobachtung adressiert werden, wie sie zukünftig in zunehmendem Maße von Nanosatelliten im LEO bedient werden sollen. Für weitere prospektive Anwendungen der W-Band Satellitenkommunikation wie etwa Inter-Satelliten-Links (ISL) oder Duplex-fähige Datenverbindungen für die globale Mobilfunk- und Internetabdeckung mittels Satellitennetzwerken (5G, 6G etc.) werden andere Plattformen wie  etwa  Kleinsatelliten mit entsprechend komplexeren Nutzlasten und insbesondere auch Antennentechnologien angestrebt.

[1] Die von der ITU regulierten Frequenzbänder bei 71-76 GHz (downlink) und 81-86 GHz (uplink) liegen technisch gesehen im sog. E-Band (WR12, Eindeutigkeitsbereich 60-90 GHz). Bei der ESA wurde für diese Frequenzbereiche in jüngsten ITTs der Begriff W-Band (WR10, Eindeutigkeitsbereich 75-110 GHz) verwendet.

Missionsziele

  • Einer Funkstrecke im E-Band bei 71 - 76 GHz zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation soll demonstriert  werden.
  • Die Funkstrecke soll eine RF-Bandbreite von 5 GHz bei einer Nutz-Bandbreite von 2,5 GHz erreichen.
  • Der Einfluss verschiedener Wetterbedingungen (z.B. Bewölkung, Regen, Schnee, ...) auf die Funkstrecke soll charakterisiert werden.
  • Pseudorandomdaten sollen mit einer Samplerate von 2,5 GSps mittels eines arbiträren Wellenformgenerators kontinuierlich in einer Schleife abgespielt werden können. Dabei soll zwischen verschiedenen Modulationsarten gewechselt werden können.

Sekundärziele

  • Unkomprimierte Videodaten einer hochauflösenden Kamera sollen über die E-Band Funkstrecke in Echtzeit übertragen werden. Dies soll demonstrieren, dass außer bekannten Datenmustern auch echte Daten in hoher Bandbreite übertragen werden können.

Tertiärziele

  • Videodaten sollen komprimiert und im Satelliten gespeichert werden können.
  • Beliebige auf dem Satelliten gespeicherte Daten sollen mit unterschiedlichen Modulationsarten über die E-Band Funkstrecke übertragen werden.
  • Die Videokamera soll zudem zu Erdbeobachtungszwecken eingesetzt werden können.
2019 Projektstart
2020 Integration / Testkampagnen
2021 Start
2021-2022 Flugkampagne
Blockdiagramm der EIVE Nutzlast
Blockdiagramm der EIVE Nutzlast

E-Bandtransmitter

Die E-Band Nutzlast besteht aus zwei eigens entwickelten GaN Solid State Leistungsverstärkern und einem GaAs basierten rauscharmen Vorverstärker. Ein Blockdiagramm des E-Bandtransmitters ist über diesem Text gezeigt. Um eine positive Bilanz im Pegelplan zu erreichen wird auf eine Hornantenne wegen derer hohen Richtwirkung gesetzt. Die eingesetzten Radiofrequenzkomponenten werden an der Hornantenne montiert, die gleichzeitig als kapazitiver Kühlkörper für die während der Überflüge dissipierten Wärme dient.

Videokamera

Zur Erzeugung von großen Datenraten wird auf EIVE eine hochauflösende Kamera eingesetzt, die in der Lage ist genügend Daten zu erzeugen um die E-Band Funkstrecke auszulasten. Darüber hinaus können mit dieser Kamera auch Bilder zu Erdbeobachtungszwecken aufgenommen werden.

Aufbau des Satellitenbusses
Aufbau des Satellitenbusses

Der Satellitenbus dient als Träger der Nutzlast und ermöglicht deren Einsatz im Rahmen durch die Missionsanforderungen gegebenen Randbedingungen.

Struktur

Für den EIVE CubeSat wurde eine 6U Struktur (100 mm x 220 mm x 340 mm) gewählt.

Energieversorgung

Die notwendige Leistung wird durch zwei ausklappbare Solarpanels sowie zwei fest montierte Panels mit je 14 Solarzellen generiert. Die benötigte Leistung während der Schattenphasen wird durch eine Lithiumionenbatterie bereitgestellt. Die Leistung wird über zwei Energieversorgungseinheiten konditioniert und an die entsprechenden Subsysteme weiterverteilt. Einzelne Subsysteme können unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden.

Lagekontrollsystem

Der EIVE CubeSat verfügt über verschiedene Lagesensoren sowie Lageaktuatoren. Drehraten und Magnetfelder werden mit einer Kombination verschiedener MEMS Sensoren bestimmt. Außerdem wird der Sonnenvektor mithilfe mehrerer segmentierter Photodioden ermittelt. Um die hohe Ausrichtungsgenauigkeit der Nutzlast zu erfüllen wird eine Sternenkamera benutzt sodass Werte unterhalb eines Grades erreicht werden können. Die Lage des Satelliten kann mithilfe von Magnetspulen grob geregelt werden. Um eine höhere Agilität und verbesserte Ausrichtungsgenauigkeit zu ermöglichen wird auf eine 3/4 Reaktionsräderkombination gesetzt.

Boardcomputer

Der Bordcomputer basiert auf einem Xilinx Zynq 7020 System-on-a-Chip, welcher eine Kombination aus einem ARM Mikroprozessor und einem FPGA ist. Die Flugsoftware baut auf dem erfolgreich eingesetzten Softwareframework des Flying Laptops.

Kommunikation

Der EIVE CubeSat besitzt einen S-Band Transceiver, der auf einer Frequenz von 2263,5 MHz im Downlink Telemetrie senden sowie bei 2083,5 MHz im Uplink Telekommandos empfangen kann. Zwei gegenüber angebrachte Patchantennen ermöglichen eine nahezu omnidirektionale Abdeckung. Für die Übertragungsstrecke im S-Band wird das im Raumfahrtbereich etablierte CCSDS Protokoll verwendet.

Thermalkontrollsystem

Das Thermalkontrollsystem bündelt die Temperaturmesswerte von einzelnen auf Platinen verbauten Temperaturchips sowie die Messwerte von 16 Widerstandstemperatursensoren. Mittels mindestens sechs Filmheizern können kritische falls notwendig Komponenten beheizt werden. Die Kühlung des Satelliten erfolgt rein passiv.

Blockdiagramm des E-Band Empfängers
Blockdiagramm des E-Band Empfängers

Standort

Die hauptsächlich verwendete Bodenstation wird die des IRS in Stuttgart am Campus Vaihingen sein. Zusätzlich dazu stehen weltweit verschiedene Bodenstationen von Kooperationspartnern des IRS für das Empfangen von Telemetrie sowie ggf. das Senden von Telekommandos im S-Band zur Verfügung. Der Empfang von E-Band Signalen wird ausschließlich über den Standort Stuttgart erfolgen.

E-Band Empfänger

Der E-Band Empfänger verwendet eine Parabolantenne mit integriertem LNO, AGC sowie einen breitbandigen Downconverter und einen Verstärker im Basisband. Daran anschließend erfolgt die Digitalisierung und Auswertung des empfangenen Signals. Ein Blockdiagramm dieses Signalpfades ist über diesem Text zu sehen.

S-Band Transceiver

Telekommandos und Telemetrie werden über die bereits existierende Parabolantenne mit CORTEX Empfänger des IRS gesendet bzw. empfangen werden. Der Betrieb der S-Band Bodenstation wird in naher Zukunft auf den gleichzeitigen Betrieb mit mehreren Satelliten und mehreren Bodenstationen umgestellt, um gleichzeitig mehrere Missionen zu unterstützen.

Projektpartner

Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme

Das Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme der Universität Stuttgart übernimmt im Projekt EIVE die Projektleitung.
Hauptaufgaben im Raumsegment ist das Design, die Integration und der Betrieb der Basisbandnutzlast. Im Bodensegment betreut das ILH den Betrieb der Nutzlast sowie die wissenschaftliche Auswertung der gewonnenen Daten.

Institut für Raumfahrtsysteme

Das Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart ist im Projekt EIVE für den Entwurf, Bau und Integration des Satellitenbusses zuständig. Darüber hinaus leitet das IRS den operationellen Betrieb des Satelliten mithilfe der IRS-Bodenstation sowie externe Bodenstationen.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik betreut im Projekt EIVE die E-Band Nutzlast insbesondere durch die Entwicklung von GaN-Solid-State-Power-Amplifiern (SSPA) und rauscharmen mHEMT-Empfangsverstärkern (LNA).

RPG-Radiometer Physics GmbH

Die Firma Radiometer Physics entwickelt im Projekt EIVE sowohl die E-Band Hornantenne des EIVE CubeSats als auch die E-Band Antenne der Bodenstation inklusive des Radiofrequenztrackings.

Tesat-Spacecom GmbH

Die Firma Tesat-Spacecom unterstützt das EIVE Projekt durch Beratung im Bereich Weltraumelektronik, Strahlungsresistenz, Projektmanagement und Industrialisierung.

Kooperationspartner

Thales Alenia Space Deutschland GmbH unterstützt das EIVE-Projekt durch Beistellung des hochintegrierten Prozessierungssystems „multiMIND“ als zentrales Element des Nutzlastcomputers.

 

Projektförderung

Das Projekt EIVE wird finanziell vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter der Fördernummer 50RK1960 unterstützt.

Das EIVE Kernteam der Universität Stuttgart

ILH-IRS Gruppenbild während des EIVE Vortschrittstreffens am 17.01.2020
Prof. Dr. Sabine Klinkner (IRS), Prof. Dr. Ingmar Kallfass (ILH), Susann Pätschke (IRS), Laura Manoliu (ILH), Benjamin Schoch (ILH), Markus Koller (IRS), Ulrich Mohr (IRS)
ILH Embedded Group und IRS Doktoranden während eines Gruppentreffens am 13.03.2020
ILH Embedded Group & IRS Doktoranden: Valentín Stadtlander, Ingmar Kallfass, Laura Manoliu, Benjamin Schoch, Florian Wiewel, Markus Koller, Shefali Kumari, Jonas Burgdorf, Tobias Festerling, Susann Pätschke

Presseecho

2019-10-24 golem.de Nanosatelliten bringen Gigabit bei 71 bis 86 GHz
2019-10-23 Informatikdienst Wissenschaft Schnelles Internet: Jederzeit und über-ALL
2019-10-23 raumfahrer.net EIVE: Erschließung neuer Frequenzbänder
2019-10-23 Clusterportal Baden-Württemberg Deutsche Forscher arbeiten an der Erschließung neuer Frequenzbänder
2019-10-23 Hochschulkommunikation Uni Stuttgart Schnelles Internet: Jederzeit und über-ALL

Publikationen

  • B. Schoch, S. Chartier, U. Mohr, M. Koller, S. Klinkner and I. Kallfass, "Towards a CubeSat Mission for a Wideband Data Transmission in E-Band," 2020 IEEE Space Hardware and Radio Conference (SHaRC), San Antonio, TX, USA, 2020, pp. 16-19., DOI: 10.1109/SHaRC47220.2020.9034007

Teilnahme an Fachkonferenzen und Workshops

  • Schoch et al., „Link-Budget Analysis of W- and E-Band Satellite Services“, 6. Nationale Konferenz „Satellitenkommunikation in Deutschland“ 2019, Poster Session, Bonn, Deutschland.
  • Mohr et al., „Exploratory In-Orbit Verification of a Wideband E/W-Band Data Downlink“, 12th Pico- and Nano-Satellite Workshop (PiNA), 12-13. September 2019, Würzburg, Deutschland.
  • Deutsches Zentrum für Satelliten-Kommunikation e.V. (DeSK), Zukunftsworkshop, 27. September 2019, Steinheim an der Murr, Deutschland.
  • Schoch et al., „Link-Budget Analysis of W- and E-Band Satellite Services“, 25th Ka and Broadband Communications Conference, 30.September-2.Oktober 2019, Sorrento, Italien.
  • Flexible Antennenkonzepte für die zukünftiger Satellitenkommunikation, Poster und Live Demo, Rhode&Schwarz, 21. November 2019, München, Deutschland.
  • L. Manoliu et al., „FPGA Based Reconfigurable On-Board Payload Processing for an Exploratory In-Orbit Verification of an E-Band (71-76 GHz) Satellite Link (EIVE)”, eingereicht zum 5. SpacE FPGA Users Workshop (SEFUW), Noordwijk, Niederlande.
  • M.T. Koller et al., „The Exploratory In-orbit Verification of an E-band Link (EIVE) CubeSat Project”, eingereicht zum 10. Nano-Satellite Symposium, July 8-11, 2020, Istanbul, Türkei.

Informationen für Studierende

Im Projekt EIVE werden kontinuierlich Bachelor und Masterarbeiten ausgeschrieben sowie HiWi Stellen vergeben. Ausgeschriebene Themen können auf den entsprechenden Seiten des ILH und des IRS gefunden werden. Bei Interesse an diesen Themen oder potentiellen weiteren nicht ausgeschriebenen Aufgaben kann gerne Kontakt zu den entsprechenden Ansprechpartnern aufgenommen werden.

Dieses Bild zeigt  Benjamin Schoch
M.Sc.

Benjamin Schoch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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