Schleifringe verbessern Bodenstation für Satelliten-Tracking

Antennennachführung für Kleinsatelliten

Im Rahmen eines Forschungsprojektes in Darmstadt wurden für eine Bodenstation, die von einem Satelliten gesendete Telemetriedaten empfängt und ihn bei Bedarf über Telekommandos steuert, neue technische Ansätze entwickelt. Ein SVTS-C-Schleifring von Servotecnica spielt dabei eine wichtige Rolle.
 Die Bodenstation der Hochschulgruppe TU Darmstadt Space Technologyim bisherigen Design für das Satelliten-Tracking mittels Extremwertregelung (l.). Die verbesserte Version der Bodenstation (r.) soll durch einen Schleifring den unbeaufsichtigten Dauerbetrieb in Außenaufstellung ermöglichen.
Die Bodenstation der Hochschulgruppe TU Darmstadt Space Technologyim bisherigen Design für das Satelliten-Tracking mittels Extremwertregelung (l.). Die verbesserte Version der Bodenstation (r.) soll durch einen Schleifring den unbeaufsichtigten Dauerbetrieb in Außenaufstellung ermöglichen. Bild: TUDSaT e.V.

Der TU Darmstadt Space Technology (TUDSaT) ist eine akkreditierte Hochschulgruppe, die sich zum Ziel gesetzt hat, die studentische Raumfahrtforschung in Darmstadt voranzutreiben. Der 2016 gegründete Verein widmet sich u.a. der Entwicklung eines sogenannten CubeSats und einer leistungsfähigen Höhenforschungsrakete. CubeSats sind Kleinsatelliten von 10x10x10cm Kantenlänge, die im Aufbau und den Hardwareschnittstellen international standardisiert sind und von jedem Weltraumtransporteur mitgeführt und im All ausgesetzt werden können. Das Ziel der geplanten Satellitenmission ist unter anderem die Demonstration neuartiger Ansätze, die zur Reduzierung der von Weltraumschrott ausgehenden Gefahren beitragen sollen.

Im weiteren Projektverlauf wird eine neue optimierte Version der Bodenstation unter Verwendung des Servotecnica-Schleifringes aufgebaut
Im weiteren Projektverlauf wird eine neue optimierte Version der Bodenstation unter Verwendung des Servotecnica-Schleifringes aufgebautBild: TUDSaT e.V.

Tracking-Genauigkeit erhöhen

Im Rahmen der Bachelorarbeit des CubeSat-Projektleiters Fabian Burger wird ein neuartiger Regelungsalgorithmus zur Nachführung der Bodenstation entwickelt und seine Funktion praktisch demonstriert. Burger hat ein neues Verfahren auf Basis einer Extremwertregelung entwickelt. Ziel ist es, die Empfangsleistung des Satellitensignals immer so groß wie möglich zu halten. Das ist möglich, wenn die verwendete Parabolantenne genau auf den Satelliten zeigt. Dazu wird mit der Antenne der letzte bekannte Punkt aus den alten Bahnparametern angepeilt und dann mit der motorisch verstellbaren Antenne der Bodenstation umkreist. Im Laufe des Überfluges richtet sich die Antenne korrekt aus und kann dem Satelliten dann wieder kontinuierlich folgen. Im von Burger simulierten Beispiel gewährleistete die Extremwertregelung, im Gegensatz zum herkömmlichen Ansatz, nach bereits 20 Sekunden – und nicht wie bisher nach acht Minuten – eine akkurate Ausrichtung und damit die Kommunikation mit dem Satelliten.

 Bei der Schleifringausführung für das TUDSat-Projekt sind 21 zusätzliche Kreise für 1000BaseT-Ethernet vorhanden, um die Satellitendaten weiter zu leiten.
Bei der Schleifringausführung für das TUDSat-Projekt sind 21 zusätzliche Kreise für 1000BaseT-Ethernet vorhanden, um die Satellitendaten weiter zu leiten.Bild: Servotecnica GmbH

Hohlwellendurchmesser und Datenrate

Auch Alexander Klingeberg, der in dem Projekt arbeitet, stieß bei der Arbeit mit der ersten Version der Satellitenbodenstation immer wieder auf ein Problem: Bewegt sich die Antenne beim Tracking, so zieht sie sämtliche Kabel für das drehbare Antennenoberteil nach. Am Ende der Bahn muss die Antenne wieder zurückgestellt werden, damit sich die Kabel nicht verschlingen oder gar abreißen. Mit einem passenden Schleifring in der Azimutachse wäre eine freie Endlosdrehung der Konstruktion möglich und Kabelverschleiß kein Thema mehr. Bei der Recherche nach passenden Schleifringen fand er überraschend wenige, die eine Hohlwelle mit einem Außendurchmesser von maximal 100mm und einen Innendurchmesser von mind. 14mm bieten, wie er für die Optimierung der Bodenstation erforderlich ist. Bei Servotecnica wurde er schließlich fündig. Auch Signalkabel und eine Ethernet-Leitung mit hoher Bandbreite für die Übertragung großer Datenmengen gehörten zu den Hauptauswahlkriterien für den Schleifring. Die Bodenstation soll später in der Praxis auch für den Start und die Verfolgung der geplanten Höhenrakete umgerüstet werden. Der Schleifring sollte also gegebenenfalls auch Signalleitungen und Bandbreite in Reserve haben. Servotecnica empfahl die SVTS-C-Serie in der speziellen Ethernet-Version. Für die dauerhafte Außenaufstellung auf dem Institutsdach kam nur ein gekapselter Schleifring in Schutzart IP65 in Frage.

Neue Bodenstation nimmt Gestalt an

Der äußere Teil des Schleifringes wird in der neuen Bodenstation mit dem statischen Unterteil, also dem Ständer, fest verschraubt. Der Schleifring selbst sitzt in der Azimutachse. Die Leistungskabel des Schleifringes versorgen primär den oberhalb der Achse liegenden Verstellmotor für den Elevationswinkel der Parabolantenne. Aber auch Kleinteile wie ein Raspberry Pi oder der Empfängerverstärker sollen darüber mit Strom versorgt werden. Fünf Leistungskreise am Schleifring werden für die Stromversorgung mit 48VDC und maximal 4,2A genutzt. Zusätzlich müssen zehn Signale unter 2A bei 24 und 12VDC übertragen werden. Hinzu kommen die Satellitendaten, die über die Ethernet-Verbindung an einen größeren Rechner zur Verarbeitung weitergeleitet werden.

Der von Servotecnica für das Forschungsprojekt bereitgestellte Hohlwellenschleifring SVTS C 05-U-A-12/00-0500/0500-ST-E1G mit Standardflansch ist 137,2mm lang, hat einen Innendurchmesser von 38,1mm und einen Außendurchmesser von 99mm. Der gekapselte Schleifring integriert zwölf Stromkreise mit bis zu 15A je Kreis zur Leistungsübertragung. Die Besonderheit der Schleifringausführung sind 21 zusätzliche Kreise für 1000BaseT-Ethernet, die über einen separaten CAT6-RJ45-Anschluss verbunden werden. Die hohe Datenrate ist für das Projekt zur Übertragung der umfangreichen Satellitendaten erforderlich. Im Laufe des Jahres soll eine neue Version der Bodenstation unter Verwendung des Schleifringes an der Azimutachse aufgebaut werden. In zwei bis drei Jahren wird sie dann den ersten eigenen CubeSat des TUDSaT auf seiner Umlaufbahn verfolgen.

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