UWE-3: Er kreist und kreist und kreist

Damit hatten seine Macher nicht gerechnet: Seit mehr als drei Jahren zieht der Universität Würzburg-Experimentalsatellit UWE-3 in gut 600 Kilometern Höhe seine Runden um die Erde, und noch immer funktioniert der kleine Würfel einwandfrei. Und das, obwohl er dort permanent der intensiven Störstrahlung des Weltraums ausgesetzt ist. Tatsächlich ist er sogar „dank einer komplett erneuerten Software heute leistungsfähiger denn je“, wie einer seiner „Väter“, der Informatikprofessor Klaus Schilling, sagt.

Weltraumstrahlung macht den Prozessoren zu schaffen

Dass UWE-3 über eine so lange Zeit funktionieren würde, sei nicht unbedingt zu erwarten gewesen, erzählt Schilling. Schließlich sei der ein Kilogramm schwere Würfel mit einer Kantenlänge von gerade einmal zehn Zentimetern, der zur Klasse Pico-Satelliten gehört, ausschließlich mit kommerziellen Bauteilen produziert worden.

Dabei ist es nicht so, dass das raue Klima im Weltall keine Spuren hinterließe: „Jeder der beiden Mikro-Prozessoren, aus denen der Bordcomputer besteht, fällt durch die harte Weltraumstrahlung etwa einmal pro Woche aus“, erklärt Schilling. Weil dann aber sofort der andere Prozessor die anstehenden Aufgaben übernimmt und parallel Reparaturaktionen für seinen Partner startet, sei der Bordcomputer noch keine Sekunde während der drei Jahre ausgefallen. „Von außen wird das Problem gar nicht wahrgenommen, weil UWE-3 seine Aktivitäten nicht unterbricht“, so Schilling.

Der ausgeklügelten Fehleranalyse- und Fehlerkorrektur-Software sei es also in erster Linie zu verdanken, dass UWE weiterhin zuverlässig seinen Dienst verrichtet, so Schilling. UWE-3 diene somit als lebender Beweis, dass die „anspruchsvolle Arbeitsumgebung im All“, die besonders intensiv auf miniaturisierte Bauteile einwirkt, durch fortgeschrittene Software gebändigt werden könne.

Diese Innovationen lohnten sich: UWE-3-Projektleiter Dr. Stephan Busch promovierte damit mit „Summa cum Laude“; er erhielt dafür den „Leonardo-da-Vinci Award“ internationaler Rotary Clubs verliehen und wurde in die Jungwissenschaftler-Gruppe der Werner-von-Siemens-Ring-Stiftung aufgenommen.

Permanente Optimierung von der Bodenstation aus

UWE-3 ist am 21. November 2013 vom russischen Yasni aus mit einer Dnepr-Rakete ins All gestartet. Eine seiner Aufgaben ist es zu zeigen, dass auch Pico-Satelliten in der Lage sind ihre Ausrichtung effektiv zu kontrollieren. UWE-3 beherrscht dafür die Technik, einfache Lageregelungen durchzuführen: Er kann sich beispielsweise für Beobachtungszwecke in eine vorgegebene Richtung drehen. Möglich macht dies eine Wechselwirkung von Magnetfeldspulen an Bord mit dem Erdmagnetfeld, kombiniert mit einem Schwungrad.

Auch das hat in den vergangenen drei Jahren sehr gut geklappt: „Wir haben von der Würzburger Bodenstation aus immer wieder ausgefeilte Kontroll-Software in den Bordcomputer von UWE-3 hochgeladen und damit das System an unvorhersehbare Störungen angepasst“, erklärt Klaus Schilling. Auf diese Weise haben die Raumfahrt-Informatiker die Lageregelung kontinuierlich weiter verbessert, so dass sich UWE-3 nun mit für Pico-Satelliten bisher noch nicht erreichter Genauigkeit ausrichten kann. Der Kontroll-Spezialist Philip Bangert erhielt auf der Erdbeobactungs-Tagung der International Academy of Astronautics 2015 den 1. Preis für seinen Beitrag verliehen.

Gute Perspektiven für kooperierende Kleinsatelliten

Derartig robuste und gut ausrichtbare Systeme bei Pico-Satelliten eröffnen nach Schillings Worten spannende Perspektiven für Satelliten-Formationen. „Allgemein wird erwartet, dass die aktuell üblichen multifunktionalen Großsatelliten zunehmend durch Systeme von vielen, miteinander kooperierenden Kleinsatelliten ergänzt werden“, beschreibt Schilling diese Entwicklung. Das Satellitenprogramm der Universität Würzburg liefere dafür Schritt für Schritt die kritischen Schlüsseltechnologien, um eine derartige Zusammenarbeit von Kleinst-Satelliten im Orbit realisieren zu können, so Schilling.

Dafür arbeitet die Universität eng mit dem Würzburger Zentrum für Telematik (ZfT) zusammen, einem unabhängigen Würzburger Forschungsinstitut. Am ZfT wird aktuell beispielsweise die  „Telematics Earth Observation Mission TOM“ geleitet – Partner sind unter anderem die Universität Würzburg, die TU München und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Diese Mission hat zum Ziel, dass mehrere Kleinst-Satelliten durch Zusammenarbeit in einer Formations neuartige dreidimensionale Erdbeobachtung durch dieses Satelliten-sensornetz ermöglichen. Damit bieten sich nach Schillings Worten auch in Zukunft „hervorragende Perspektiven, spannende Raumfahrttechniken aus Würzburg weltweit an vorderster Front mit voran zu bringen“.

Kurze Geschichte Würzburger Experimentalsatelliten

UWE-1 war der erste deutsche Pico-Satellit und steht nun schon im Deutschen Museum in München ausgestellt. Die Arbeiten an dem Satelliten-Winzling begannen im Jahr 2004 unter der Leitung von Professor Klaus Schilling. Das Projekt zog Studierende aus Japan, Rumänien, Kanada, Indonesien, Italien und Indien an den Main zu den Würzburger Informatikern vom Lehrstuhl für Robotik und Telematik. Nach etwa einem Jahr Bauzeit wurde UWE-1 am 27. Oktober 2005 mit einer russischen Kosmos-3-Trägerrakete zusammen mit fünf weiteren Satelliten in eine Umlaufbahn in 690 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche geschossen. Wissenschaftliches Ziel war die Durchführung von Telekommunikations-Experimenten. Dabei war das Internet auf den Weltraum auszudehnen: Es galt, die gängigen Internet-Protokolle an die erschwerten Bedingungen im All anzupassen.

UWE-2 trat seine Reise in das Weltall am 23. September 2009 vom Weltraumbahnhof Sri Harikota in Indien an. Aufgabe von UWE-2 war es, mit einer fortgeschrittenen Software auf der Basis verschiedener Sensordaten möglichst genau seine Position und Ausrichtung zu bestimmen. Die Daten dafür stammten aus einem GPS-Empfänger sowie aus Messungen mit Sonnen-, Magnetfeld- und so genannten Inertial-Sensoren – letztere erfassen Beschleunigungs- und Rotationskräfte.

Beide Satelliten kreisen noch immer um die Erde – sind mittlerweile aber verstummt. Erst in ein paar Jahren werden sie in die Atmosphäre eintreten und dann unspektakulär verglühen.

Und aktuell arbeiten die Forscher bereits an UWE-4, der mit Hilfe eines elektrischen Antriebs auch Positionsveränderungen gezielt durchführen kann.

Kontakt

Prof. Dr. Klaus Schilling, Informatik VII: Robotik und Telematik, T: (0931) 318 6647, E-Mail:  schi@informatik.uni-wuerzburg.de