Ops-Sat
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| OPS-SAT | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Phase: F / Status: beendet | ||||||||||
 Engineering-Modell von OPS-SAT auf einem Teststand der TU Graz | ||||||||||
| Typ | Satellit (CubeSat (3U)) | |||||||||
| Land | Osterreich Österreich | |||||||||
| Organisation | ESA / TU Graz | |||||||||
| COSPAR-Bezeichnung | 2019-092F | |||||||||
| NORAD/SCN-ID | 44878 | |||||||||
| Missionsdaten | ||||||||||
| Startdatum | 18. Dezember 2019 | |||||||||
| Startplatz | Raumfahrtzentrum Guayana, ELS | |||||||||
| Trägerrakete | Sojus-2.1a (Flug VS23) | |||||||||
| Missionsdauer | 1617 Tage | |||||||||
| Enddatum | 22. Mai 2024 | |||||||||
| Landeplatz | Wiedereintritt in die Erdatmosphäre | |||||||||
| Bahndaten | ||||||||||
| Koordinatenursprung | Erde | |||||||||
| Bahnhöhe | ursprünglich 515 km | |||||||||
| Umlaufzeit | 94,9 min | |||||||||
| Apogäum | 515 km | |||||||||
| Perigäum | 515 km | |||||||||
| Exzentrizität | 0 | |||||||||
| Bahnneigung | 98,2° | |||||||||
| Allgemeine Raumfahrzeugdaten | ||||||||||
| Startmasse | 4,6 kg | |||||||||
| Abmessungen | 0,30 × 0,10 × 0,10 m | |||||||||
| Hersteller | Technische Universität Graz | |||||||||
| Spezifische Raumfahrzeugdaten | ||||||||||
| Stabilisation | Dreiachsen-Lageregelung | |||||||||
| Elektrische Leistung | 24 W | |||||||||
| Antriebssystem | keines | |||||||||
| Nutzlastdaten | ||||||||||
| Satellitenbus | 3U-CubeSat | |||||||||
| Instrumente |
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| Transponder/-leistung | * S-Band
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| Sonstiges | ||||||||||
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OPS-SAT war ein Technologieerprobungssatellit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im 3U-CubeSat-Format. Der Satellit wurde von der Technischen Universität Graz entwickelt und gebaut und am 18. Dezember 2019 gestartet. Die Mission diente der Erprobung neuer Software-, Kommunikations- und Betriebskonzepte für Raumfahrzeuge unter realen Bedingungen im Erdorbit.[1]
OPS-SAT wurde als offene Experimentierplattform konzipiert, auf der Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Hochschulen neue Anwendungen und Technologien im Weltraum testen konnten. Ziel der Mission war es, die Erprobung neuer Technologien im Orbit zu vereinfachen und deren spätere Nutzung in größeren Raumfahrtmissionen vorzubereiten.[2]
Der Satellit wurde vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt betrieben und war der erste Kleinsatellit im direkten Besitz der ESA.[2]
Am 22. Mai 2024 trat OPS-SAT nach mehr als viereinhalb Jahren Betriebszeit wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühte.[3]
Konzept und Missionsarchitektur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]OPS-SAT wurde als Technologieerprobungsplattform entwickelt. Die Mission sollte eine Umgebung bereitstellen, in der neue Software und betriebliche Verfahren unter realen Weltraumbedingungen getestet werden konnten, ohne dass größere Raumfahrtmissionen zusätzlichen Risiken ausgesetzt wurden.[1]
Zentraler Bestandteil des Satelliten war die Satellite Experimental Processing Platform (SEPP). Dabei handelte es sich um einen experimentellen Bordrechner mit deutlich höherer Rechenleistung als die zu diesem Zeitpunkt bei ESA-Missionen üblicherweise eingesetzten Rechner für Bordsteuerungsaufgaben. Dies ermöglichte die Ausführung komplexer Softwareanwendungen und autonomer Experimente direkt im Orbit.[4]
Die Systemarchitektur war in zwei funktional getrennte Bereiche gegliedert:
- Satellitenbus
- Der Satellitenbus basierte weitgehend auf kommerziell verfügbaren Komponenten (Commercial off-the-shelf, COTS) und stellte die grundlegenden Funktionen des Raumfahrzeugs bereit. Hierzu gehörten Energieversorgung, Kommunikation, Lageregelung und Sicherheitsfunktionen.
- Experimentierplattform
- Die Experimentierplattform stellte eine Linux-basierte Ausführungsumgebung für Softwareexperimente bereit. Anwendungen konnten nach Freigabe durch das Missionsteam auf den Satelliten übertragen und dort ausgeführt werden.
Durch diese Trennung sollten Softwarefehler innerhalb von Experimenten die grundlegenden Funktionen des Satelliten nicht beeinträchtigen.[2]
NanoSat MO Framework
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Softwarearchitektur basierte auf dem von der ESA und der TU Graz entwickelten NanoSat MO Framework (NMF). Das Framework implementierte die Mission Operations Services des CCSDS und stellte Entwicklern eine standardisierte Schnittstelle für den Zugriff auf Satellitenfunktionen zur Verfügung.[5]
Für Experimente standen ein Software Development Kit (SDK) sowie Simulationsumgebungen am Boden zur Verfügung. Dadurch konnten Anwendungen vor dem Einsatz im Orbit entwickelt und getestet werden.[6]
Nutzlasten und Kommunikationssysteme
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]OPS-SAT verfügte über mehrere experimentelle Nutzlasten und Kommunikationssysteme, die für Software- und Technologieerprobungen genutzt wurden.[7]
Zu den wesentlichen Bordkomponenten gehörten:[4]
- Bordrechnerplattform: Zwei redundant ausgelegte Recheneinheiten auf Basis von ARM-Prozessoren (Dual-Core Cortex-A9) und Cyclone-V-FPGA-Technologie, die eine flexible Ausführung von Softwareanwendungen ermöglichten.
- Kamera: Eine hochauflösende Kamera zur Erdbeobachtung mit einer Bodenauflösung von bis zu 80 Metern pro Pixel.
- GPS-Empfänger: Zur Positionsbestimmung und Unterstützung von Navigations- und Steuerungsalgorithmen.
- Software Defined Radio (SDR): Ein flexibel programmierbares Funksystem zur Verarbeitung unterschiedlicher Funksignale und zur Erprobung neuer Kommunikationsverfahren.
- Optischer Kommunikationssensor: Ein Experimentalsystem zur Untersuchung optischer Uplink-Verfahren (Laserkommunikation) mit einer geplanten Datenrate von 2 kbit/s.
- Kommunikationssysteme: Betrieb im S-Band als Hauptverbindung zur Bodenstation (Uplink bis zu 256 kbit/s, Downlink bis zu 1 Mbit/s), ergänzt durch ein X-Band-Transmittersystem für hohe Datenraten von bis zu 50 Mbit/s sowie UHF-Systeme für Backup-Szenarien.
Die offene Softwarearchitektur ermöglichte es, diese Systeme durch externe Nutzer im Rahmen genehmigter Experimente anzusteuern und zu testen.[7]
Missionsverlauf und In-Orbit-Anpassungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]OPS-SAT wurde am 18. Dezember 2019 als Sekundärnutzlast gemeinsam mit dem Weltraumteleskop CHEOPS an Bord einer Sojus-2.1a-Trägerrakete vom Raumfahrtzentrum Guayana gestartet.[1]
Nach dem erfolgreichen Start und der Inbetriebnahmephase wurde der Satellit in den regulären Experimentbetrieb überführt. Während der Mission wurden eine Vielzahl von Softwareexperimenten durchgeführt, die unter anderem autonome Bordverarbeitung, Bildanalyse, Kommunikationsverfahren und Systemdiagnostik umfassten.[2]
Anfang 2021 drohte der Mission das vorzeitige Ende, als eine der beiden redundant ausgelegten Prozessorplattformen komplett ausfiel und der Hauptspeicher (RAM) der verbleibenden zweiten Plattform einen physischen Defekt aufwies. Im Rahmen einer komplexen „In-Orbit-Reparatur“ gelang es dem Entwicklungsteam der TU Graz jedoch, den verbleibenden Prozessor softwareseitig so umzukonfigurieren, dass er den beschädigten RAM-Bereich isolierte und auf einen unbeschädigten, ursprünglich nicht für diesen Zweck vorgesehenen Speicherbereich auswich. Dadurch konnte der Satellit trotz des Defekts bis zum Missionsende im Jahr 2024 voll einsatzfähig bleiben.[8]
Insgesamt wurden im Verlauf der Mission mehr als 250 wissenschaftliche Experimente von über 100 Unternehmen und Institutionen aus 17 Ländern durchgeführt. Am 22. Mai 2024 trat OPS-SAT plangemäß in die Erdatmosphäre ein und verglühte, wobei bis in die letzten Minuten hinein UHF-Telemetriedaten zur Kalibrierung von atmosphärischen Wiedereintrittsmodellen gesammelt wurden.[8]
Technologische Demonstrationen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im Rahmen der Mission wurden zahlreiche wegweisende Technologien erstmals im Weltraum demonstriert. Zu den dokumentierten Erstleistungen der Mission gehören:
- Erste App-Umgebung im Orbit: Einführung des *NanoSat MO Frameworks* (NMF), das es Entwicklern erlaubte, Software-Updates ähnlich wie Smartphone-Apps unkompliziert aufzuspielen und auszuführen.[5]
- Tägliche FPGA-Rekonfiguration: Erstmalige Demonstration einer täglichen Neukonfiguration eines Field Programmable Gate Arrays (FPGA) im laufenden Betrieb einer institutionellen Mission.[4]
- Künstliche Intelligenz im All: Erste In-Orbit-Nachschulung eines künstlichen neuronalen Netzwerks (KI-Modells) mit Live-Flugdaten sowie der erste erste Einsatz von Generative AI (WGANs, Wasserstein Generative Adversarial Networks) im Erdorbit.[9]
- Ausführung von kommerzieller Software: Zur Demonstration der Vielseitigkeit und Ausführungssicherheit der Linux-Plattform wurde unter anderem das klassische Videospiel Doom auf dem Satelliten ausgeführt.[10]
Die Ergebnisse der Mission flossen in die Weiterentwicklung zukünftiger kleiner Satellitenplattformen und Missionsarchitekturen ein.[3]
Auszeichnungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Im März 2023 wurde das OPS-SAT Mission Control Team der ESA mit dem International SpaceOps Award for Outstanding Achievement ausgezeichnet.[11]
Einordnung und Bedeutung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]OPS-SAT wurde als Technologieerprobungsplattform der Europäischen Weltraumorganisation entwickelt, um neue Ansätze für den Betrieb kleiner Satelliten unter realen Bedingungen zu testen. Im Mittelpunkt standen dabei Softwarearchitekturen, Bordautonomie und flexible Missionskonzepte.[2]
Die Mission ermöglichte es, experimentelle Software direkt im Orbit auszuführen und deren Verhalten unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden von ESA, TU Graz sowie weiteren Partnern für die Weiterentwicklung zukünftiger Kleinsatellitenmissionen genutzt.[8]
Im Rahmen der Mission wurden verschiedene technologische Ansätze demonstriert, darunter Verfahren zur autonomen Datenverarbeitung an Bord, flexible Software-Updates im Orbit sowie der Einsatz standardisierter Schnittstellen für den Zugriff auf Satellitensysteme.[4]
Ein Teil der öffentlich kommunizierten Demonstrationen (z. B. Anwendungen mit spielerischem oder nicht-missionskritischem Charakter) diente primär der Veranschaulichung der Flexibilität der Plattform und hatte keinen operativen Missionszweck.[3]
Historische Einordnung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]OPS-SAT war eine der ersten dedizierten ESA-Missionen, die vollständig auf die Erprobung von Software- und Betriebstechnologien im Kleinsatellitenformat ausgerichtet war. Der Satellit wurde dabei im regulären Missionsbetrieb durch das Europäische Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) gesteuert.[2]
Die Mission trug zur Weiterentwicklung von Konzepten der Bordautonomie und der softwaredefinierten Raumfahrzeugarchitektur bei. Viele der im Rahmen von OPS-SAT getesteten Technologien befinden sich weiterhin in der Entwicklung oder wurden in nachfolgenden Projekten aufgegriffen.[3]
Konkrete „Erstleistungen“ im Sinne weltweiter technischer Premieren werden in der Fachliteratur teilweise unterschiedlich bewertet und sind abhängig von Definitionen und Abgrenzungen. Daher werden diese im Kontext der Mission meist als Demonstrationen und nicht als allgemeingültige Weltneuheiten beschrieben.[4]
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Offizielle OPS-SAT Experimentier-Plattform der ESA (englisch)
- ESA Missionsseite OPS-SAT (englisch)
- OPS-SAT im eoPortal der ESA (englisch)
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- 1 2 3 OPS-SAT. ESA, 27. April 2017, abgerufen am 21. Januar 2024 (englisch).
- 1 2 3 4 5 6 David Evans, Georges Labrèche, Tom Mladenov, Dominik Marszk, Vladimir Zelenevskiy, Vasundhara Shiradhonkar: OPS-SAT LEOP and Commissioning: Running a Nanosatellite Project in a Space Agency Context. In: Small Satellite Conference. Logan, Utah 2022 (englisch, researchgate.net [abgerufen am 21. Januar 2024]).
- 1 2 3 4 Mission complete for ESA's OPS-SAT flying laboratory. ESA, 23. Mai 2024, abgerufen am 2. Juni 2026 (englisch).
- 1 2 3 4 5 OPS-SAT (Operations Satellite). eoPortal (ESA), 31. Mai 2012, abgerufen am 2. Juni 2026 (englisch).
- 1 2 NanoSat MO Framework. Abgerufen am 19. Dezember 2017 (englisch).
- ↑ Cesar Coelho, Otto Koudelka, Mario Merri: NanoSat MO Framework: When OBSW turns into apps. In: 2017 IEEE Aerospace Conference. 2017, ISBN 978-1-5090-1613-6, S. 1–8, doi:10.1109/AERO.2017.7943951 (englisch).
- 1 2 OPS-SAT Experimenter Overview. ESA, 20. Juni 2017, abgerufen am 19. Dezember 2017 (englisch).
- 1 2 3 OPS-SAT: Austrian Mini-Satellite burns up after successful mission. TU Graz, abgerufen am 2. Juni 2026 (englisch).
- ↑ Georges Labrèche u. a.: The 2021 ESA OPSSAT Space Lab Competition: Results and On-Board Experience of the Top Machine Learning Solution. In: Proceedings of the Small Satellite Conference. 2022 (englisch, researchgate.net [abgerufen am 2. Juni 2026]).
- ↑ OPS-SAT - ESOC. ESA / ESOC, abgerufen am 2. Juni 2026 (englisch).
- ↑ OPS-SAT Flying Laboratory Wins 2023 International SpaceOps Award. ESA, abgerufen am 21. Januar 2024 (englisch).