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Eine lange Reise ins All ARISSat-1 im Überblick Andreas Bilsing, DL2LUX

Derzeit wartet der ARISSat-1 an Bord der ISS darauf, endlich in die Umlaufbahn gebracht zu werden – kurzfristig wurde der Start auf Juli 2011 verschoben. Bleibt also genügend Zeit, sich das ARISSProjekt nochmal genauer anzuschauen.

Bild 1: Der Vorgänger von ARISSat-1: SuitSat wurde am 3. Februar 2006 von der ISS ausgesetzt (Foto: ISS Expedition 12, NASA)

ieser Artikel basiert auf dem Text von Tony Monteiro, AA2TX, und Gould Smith, WA4SXM, in [1], die dankenswerterweise das Material zur Verfügung gestellt haben. Der Beitrag wurde durch weitere Informationen von ARISS [2] erweitert und durch Aktuelles [3], [4], [5] und [6] ergänzt. Das Programm „Amateur-Radio auf der Internationalen Raumstation“ (ARISS) ist ein internationales Projekt. Es soll durch Amateurfunkaktivitäten auf der ISS das Interesse an Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik fördern. Im Rahmen von ARISS werden die Schulkontakte mit der ISS organisiert. Mit ARISSat-1 hat das Programm jetzt einen eigenständigen Satelliten im All.

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Nachfolger von SuitSat-1

Bild 2: Als „Vehikel“ für SuitSat diente ein ausgemusterter OrlanRaumanzug

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Der erste ARISS-Satellit war SuitSat-1, der am 3. Februar 2006 zum Einsatz kam (Bild 1). Er bestand aus einem Bakensender, der im Helm eines ausgedienten russischen Raumanzugs untergebracht war (Bild 2). Dieser Raumanzug wurde von Kosmonaut Valery Tokarey mit den Wor-

ten „Goodbye Mr. Smith“ in die Umlaufbahn gebracht. Die Russen nannten ihn auch Ivan Ivanovich, was ebenfalls ein Allerweltsname ist. SuitSat-1 sendete im 2-m-Band Grußbotschaften, die von Studenten aus verschiedenen Ländern der Welt aufgezeichnet wurden. Leider erwies sich das Sendesignal von SuitSat-1 als sehr schwach, und nur wenige gut ausgerüstete Bodenstationen konnten es empfangen. Nach etwa zwei Wochen im All endete der Betrieb, bedingt durch die Kapazität der Batterien.Trotzdem hat SuitSat-1 international für Aufsehen gesorgt und war vielleicht der ungewöhnlichste Satellit, der jemals entwickelt wurde. Im November 2006 wurde mit der Entwicklung einer neuen Version von SuitSat begonnen. Die Absicht war es, wieder einen alten russischen Raumanzug als Grundlage zu verwenden, jedoch sollte es deutliche technische Verbesserungen geben. Der neue Satellit, mit Projektnamen SuitSat-2, sollte aus modularen, wieder verwendbaren Sub-Systemen bestehen und eine Plattform für wissenschaftliche Experimente zur Verfügung stellen. Es sollte auch ein verbessertes Funk-Kommunikationssystem unter Verwendung eines experimentellen Software Defined Transponders (SDX) zum Einsatz kommen. Um eine längere Lebensdauer zu erzielen, sollte der Raumanzug mit Sonnenkollektoren und einem Spannungsversorgungssystem mit wiederaufladbarer Batterie ausgerüstet werden. Als die Entwicklungsarbeiten bereits gut vorangeschritten waren, kam die Nachricht von der ISS, dass der vorgesehene Raumanzug aus Platzgründen entsorgt wurde. Aber RCS Energia informierte ARISS, dass an dem Projekt, einen ARISS-Satelliten während eines EVA (Extra-Vehicular Activity: Außeneinsatz) auszusetzen, festgehalten werde. Dieser sollte jedoch statt des Raumanzuges ein eigenes Gehäuse haben bzw. ein eigenständiger Satellit sein. Unter diesen neuen Randbedingungen begann das Entwicklungsteam einen neuen Satelliten zu entwerfen, der die zuvor entwickelten Module und Subsysteme aufnehmen kann. Dieser neue Satellit wurde ARISSat-1 genannt.

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S AT E L L I T E N Tabelle 1: DieNamen der SuitSats SuitSat-1

SuitSat-2

Mr. Smith

ARISSat-1

Ivan Ivanovich

Radioskaf-V, Радиоскаф-В (Радиоскаф-Второй)

RadioSkaf

Kedr, Кедр

AMSAT-OSCAR 54

Oscar-Nr. noch unbekannt

Norad-Nr. 28933

Norad-Nr. noch unbekannt

Bild 4: ARISSat-1 Schnittdarstellung

ARISSat-1/RadioSkaf-V Modules Bild 3: Ansicht von ARISSat-1 mit vier Griffen zur Handhabung beim Aussetzen und das Bedienfeld mit den drei Schaltern.

Der Satellit mit den vielen Namen Für ARISSat-1 sind eine Vielzahl von Namen im Umlauf. Einige Bezeichnungen haben historische Gründe, andere erinnern an das Vorgängermodell SuitSat. Der Name ARISSat-1 ist entstanden, weil es der erste von ARISS gebaute eigenständige Satellit ist. Weiterhin wird der Satellit mit dem Namen KEDR bezeichnet, als Hommage an den ersten Weltraumflug von Juri Gagarin am 12. April 1961. Das Rufzeichen der Raumkapsel Wostock-1, in der Gagarin die Erde umrundete, war KEDR, was Zeder oder auch Sibirische Pinie bedeutet. Für die Bodenstationen wurde das Rufzeichen Sarja-1 (Заря-1 = „Morgenröte-1“) verwendet. Historisch überliefert ist der Satz von Juri Gagarin an Sergej Koroljew: „Kedr ruft Sarja-1“. Auf Russisch gab es zudem die Bezeichnung RadioSkaf-V; benannt nach dem ersten Entwurf. Diese Bezeichnung setzt sich zusammen aus Skaf (Skafander = russ. Raumanzug) und Radio (Funksender). Das „V“ ist der Buchstabe „V“ wie Viktor und nicht (!) etwa eine römische Zahl. Dieser Buchstabe steht für „Vtoroj“ (Internationale Umschrift) und bedeutet „zweiter“. Im Vergleich dazu wurde ARISSat-1 zu Beginn auch als SuitSat-2 bezeichnet in Anlehnung an den Vorgänger. Es ist damit zu rechnen, dass der Satellit auch eine OSCAR-Nummer erhalten wird.

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Bild 5: ARISSat-1 Blockschema. Links der gestrichelten Linie sind die auf der Außenseite des Satelliten montierten Baugruppen dargestellt: Solarzellen, Antennen, Kameras, Bedienteil und teilweise das Kursk-Experiment. Rechts die im Inneren befindlichen Teile: Transponder, IHU, Laderegler (MPPT) und Batterie

Die Hardware von ARISSat-1 Der Satellit besteht aus mehreren Teilsystemen und Modulen, die in einem Gitterrahmen aus Aluminium montiert sind (Bild 3 und 4). Der Gitterrahmen hat vier Griffe an den seitlichen Kanten, die der besseren Handhabung beim Aussetzen dienen soll. Die Teilsysteme sind: • sechs Sonnenkollektoren • ein Maximum Power Point Tracker (MPPT)-Modul • ein Akku • ein Bedienfeld • vier Slow-Scan-TV-Kameras • das Kursk-Experiment

• eine 2-m-Stabantenne • eine 70-cm-Stabantenne • ein HF-Modul • ein Bordrechner (Internal Housekeeping Unit – IHU) Diese Module sind miteinander verbunden (Bild 5). Die Module auf der linken Seite der Zeichnung befinden sich auf der Außenseite der Rahmenstruktur, während sich die auf der rechten Seite innerhalb des Gitterrahmens befinden.

Stromversorgung bei ARISSat-1 Die sechs Sonnenkollektoren wurden von der NASA für das Projekt gespendet. Sie stammen aus dem Small Explorer

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Bild 6: Die AgZn-Batterie 825M3

Bild 7: Bedienteil /Steuerpult. Die Schalter S1 bis S3 müssen nacheinander eingeschaltet werden. Ein Timer schaltet den Sender 15 Minuten nach dem Aussetzen ein

(SMEX)-Satelliten-Programm und waren übrig geblieben, nachdem das Programm beendet war. Jedes Paneel hat die Größe von 19“ × 10,5“ (48,3 cm × 26,7 cm) und besteht aus 50 Zellen. In der prallen Sonne erzeugt jedes Paneel etwa 50 V Leerlaufspannung

und liefert etwas über 19 W elektrische Leistung. Je ein Panel ist auf jeder der sechs Außenseiten des Gitterrahmens montiert. Jedes Solarmodul ist mit einem MPPTLaderegler (Maximum Power Point Trakker/MPPT-Modul) verbunden. Der MPPT-

Regler ist das Bindeglied zwischen Solarpaneel und Batterie. Seine Hauptaufgabe ist der Schutz der Überladung der Batterie. MPPT-Laderegler besitzen darüber hinaus die Fähigkeit die angebotene Solarenergie auch maximal für die Batterie umzusetzen. Diese Schaltung ist als DC/DC-Stromwandler entworfen und in der Lage, die maximal verfügbare Leistung jedes Solarpanels auf die HauptSpannungsebene des Satelliten von +28 V zu bringen. Diese Spannung ist direkt an die Batterie angeschlossen. Um eine Überladung zu verhindern, ist die maximale Ausgangsspannung des Ladereglers auf etwa 36 V begrenzt. Die Batterie wurde von RSC-Energia für das Projekt gespendet (Bild 6). Es ist eine 825M3 und genau der gleiche Typ, wie er zur Spannungsversorgung in den russischen Orlan-Raumanzügen verwendet wird (Tabelle 2). Die Batterie besteht intern aus achtzehn wiederaufladbaren Silber-Zink (AgZn)-Zellen und ist mit 14 Ah bei 28 V angegeben. Befindet sich

Tabelle 2: Spezifikation der 825M3-Batterie Anzahl der Zellen (Ag-Zn)

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Nennspannung

27 V

Mindestkapazität

14,0 Ah

Anfangskapazität (typisch)

20,5 Ah

Lademethode

Konstantstrom 1 ±0,2 A

Max. Ladespannung

35,8 ±0,15 V

Min. Entladespannung

20,5 ±0,5 V

Anzahl vollständiger Ladezyklen

5

Temperaturbereich

6 ⬚C bis 45 ⬚C

Min. Druck

1,33 ⫻ 10–6 Pa

Tabelle 3: Wichtige Parameter der HTC-2N3-Kamera /4 Zoll CCD

Sensor

1

Bildauflösung NTSC

512 H ⫻ 492 V

Bildauflösung PAL

512 H ⫻ 582 V

Empfindlichkeit

1 Lux bei F = 1,4

Videoausgang

1 Vss, 75 ⍀ composite

Weißabgleich

automatisch

Bild 8: Ein SSTV-Signal. Das Rufzeichen von ARISSat-1 lautet RS01S

Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Ratio) besser als 46 dB Betriebsspannung

12 V

Stromaufnahme

220 mA/240 mA hohe Auflösung

Betriebstemperatur

–10 ⬚C bis +45 ⬚C

Masse

100 g

Bild 9: Das Kursk-Experiment. Die linke Seite schaut aus dem Satelliten heraus. Man erkennt die Öffnungen zur Probenahme aus der Restatmosphäre

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Bild 10: Die HF-Baugruppe bestehend aus Empfänger (oben) und Sender (unten)

Bild 11: Blockschaltbild des Empfängers. Die gestrichelt dargestellten Blöcke sind gegeneinander abgeschirmt

der Satellit im Sonnenlicht, dann versorgen die Sonnenkollektoren über den MPPT-Laderegler die Verbraucher, und die Batterie wird geladen. Während der Eklipsen liefert die Batterie die Energie für den Satelliten.

Anforderungen an den sicheren Betrieb Um die auf der ISS geltenden Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, müssen die Batterie und die Solarzellen bis zum unmittelbaren Aussetzen des Satelliten abgeschaltet bleiben. Zum Einschalten der Elektronik befindet sich an der Außenseite ein Bedienteil (Bild 7). Es verfügt über drei Schalter, die durch Fingerschutzbügel voneinander getrennt sind. Damit sind die Schalter gegen unbeabsichtigtes Schalten gesichert, und es kann jeder Schalter nur einzeln betätigt werden. Alle drei Schalter müssen bei der Inbetriebnahme eingeschaltet werden. Eine Reihe LEDs zeigt den Betriebszustand des Satelliten an. Nachdem alle drei Schalter eingeschaltet wurden, verhindert ein Sicherheits-Timer für 15 Minuten die Aussendung von Hochfrequenz. Durch diese Verzögerung soll sichergestellt werden, dass keine Hochfrequenz-Störungen in der Elektronik der Raumanzüge während des Außeneinsatzes stattfindet.

SSTV-Bilder von ARISSat-1 Während der ersten 15 Minuten, in denen nicht gesendet werden darf, werden mit den SSTV-Kameras Fotos geschossen. Dies beginnt direkt nachdem die drei Schalter eingeschaltet werden. Die Bilder werden gespeichert und während des ersten Tages im Orbit gesendet.

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Bild 12: Blockschaltbild des Senders

Man hofft darauf, Bilder mit den Kosmonauten und der ISS während des Aussetzens von ARISSat-1 zu bekommen. Es gibt insgesamt vier Kameras, die an den gegenüberliegenden Seiten des Satelliten nach oben und unten weisen. Von je zwei Kameras wird das Blickfeld über Spiegel gelenkt, sodass insgesamt vier von sechs Richtungen erfasst werden (Bild 2). An die Kameras wurden folgende Anforderungen gestellt: • Niedrige Kosten • Gute Auflösung (ausreichend für SSTV) • Geringer Stromverbrauch • Großer Dynamikbereich des Lichtpegels • schnelle Aufnahmebereitschaft • Farbe • Kein gefährliches Glas (Linsen) Es kommen Kameras vom Typ HTC 2N3 der Firma Hunt Electronics USA, Inc. zum Einsatz (Tabelle 3). Etwa alle zwei Minuten werden eine Reihe von Aufnahmen gemacht und für die Übertragung gespeichert. Sehr dunkle oder leere Bilder werden verworfen. Im Speicher gibt es bereits einige Bilder, die gesendet werden, wenn sich der Satellit im Erdschatten befindet (Eklipse). Eines dieser Bilder zeigt das Rufzeichen (RSØ1S) und ist in Bild 8 zu sehen. Die

Bilder werden in Farbe im Robot 36-Format übermittelt. Auf der Oberseite, rechts neben dem Bedienpaneel (Bild 2) befindet sich das wissenschaftliche Experiment „Kursk“. Es wurde von Studenten der Staatlichen Universität Kursk in Russland entwickelt und soll das Vakuum des Weltraums messen. Das Experiment beginnt 30 Minuten nach dem Aussetzen des Satelliten und wird einmal pro Tag für einen kompletten Erdumlauf arbeiten. Es sollte möglich sein, die Unterschiede im Vakuum zu messen, wenn der Satellit langsam in den oberen Teil der Erdatmosphäre gelangt. Das Mess-Equipment des Kursk-Experiments ist in Bild 9 zu sehen.

Wichtige Teile: HF-Modul und IHU Auf der Oberseite ist in der Mitte die 2-mStabantenne angebracht. Weiterhin hat ARISSat-1 auch eine 70-cm-Stabantenne, die ebenfalls mittig, jedoch an der Unterseite des Satelliten montiert ist. In der Abbildung ist sie nicht dargestellt. Beide Antennen sind mit dem HF-Modul verbunden (Bild 10). Das HF-Modul verfügt über einen 70-cm-Empfänger mit einem

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ARISSat-1 IHU Module Diagramm

ZF-Ausgang bei 10,7 MHz (Bild 11). Dieses Signal wird in die IHU eingespeist. Zusätzlich enthält das HF-Modul noch einen Kommandoempfänger, welcher der IHU ein demoduliertes Audiosignal zur Verfügung stellt. Dieser Empfänger ist ausschließlich für die Steuerung des Satelliten durch die Bodenstation gedacht. Weiterhin hat das HF-Modul einen 2-mSender mit 500 mW Sendeleistung (Bild 12). Der Input für den Sender liegt bei einer Zwischenfrequenz von 10,7 MHz und wird direkt vom Bordrechner (IHU) erzeugt. Die IHU (Internal Housekeeping Unit) ist das komplexeste Modul im System und besteht aus verschiedenen Leiterkarten mit insgesamt fünf Mikroprozessoren. Das Modul ist in Bild 13 zu sehen. Die Spannungsversorgung (Power Supply Unit – PSU) ist oben in der Zeichnung dargestellt und wandelt die 28 V von der Batterie und den MPPT-Modulen auf die Spannungsebenen 5 V, 8 V und 12 V, die von den anderen IHU-Baugruppen benötigt werden. Die wichtigste Baugruppe ist der IHUProzessor, ein PIC32MX. Er ist in der Mitte von Bild 13 dargestellt. Dieser Prozessor dient der gesamten Steuerung des Satelliten. Auch die Telemetrie läuft über diesen Prozessor, ebenso die Video-

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Verarbeitung für die SSTV-Kameras und das Kursk-Experiment. Ein zweiter PIC32MX-Prozessor arbeitet als Software Defined Transponder (SDX). Sämtliche von ARISSat-1 gesendeten Funksignale werden durch Software generiert.

Frequenzplan und Betrieb mit ARISSat-1 Der Bandplan und die Frequenzen sind in Bild 14 dargestellt. Das 70-cm-Band wird für den Uplink für den U/V-Transponder (früher Mode B) verwendet. Die 2-mDownlink-Signale umfassen den Transponder-Ausgang, eine digitale BPSKTelemetriebake, eine CW-Bake und einen FM-Kanal. Der Transponder ist linear, invertierend und bietet 16 kHz Bandbreite. Er ist sehr empfindlich und man sollte mit QRP-Geräten und omni-direktionalen Antennen darüber arbeiten können. Die digitale BPSK-Bake überträgt die Satelliten-Telemetrie und die Daten des Kursk-Experiments. Die Bake kann entweder im hergebrachten BPSK-400Modus oder im neuen BPSK-1000Modus, der speziell für ARISSat-1 entwickelt wurde, betrieben werden. Der neue Modus enthält eine Forward Error Correction (FEC) sowie Interleaving und sollte auch bei einfachen Antennen einen fehlerfreien Empfang bieten. Ein

Bild 13: Bordrechner/ IHU-Blockschema

Programm zur Decodierung der Telemetrie für die Soundkarte befindet sich derzeit in der Entwicklung. Es soll auf PC und Mac-Computern laufen. Die CW-Bake hat das Satellit Rufzeichen RSØ1S. Die Telemetriedaten werden gemeinsam mit den Amateurfunk-Rufzeichen der ARISS sowie den persönlichen Rufzeichen der am ARISSat-1-Programm mitwirkenden Funkamateure ausgesendet. Es gibt über 200 Rufzeichen zu empfangen! Das FM-Audiosignal überträgt gesprochene Telemetrie, SSTV-Bilder und 24 verschiedene Grußbotschaften in 15 Sprachen, die von Kindern rund um den Erdball gesprochen wurden (Bild 15). Eine ganz spezielle Aufnahme stammt von Juri Gagarin.

ARISSat-1 auf dem langen Weg ins All Am 4. Oktober 2010 holte Lou McFadin, W5DID, im Orlando Satelliten Construction Facility (auch als K4RSV George‘s Garage bekannt) ARISSat-1 ab und brachte ihn zu einem Transportunternehmen. Nachdem der Satellit in einer Holzkiste verstaut war, begann die lange Reise in den Weltraum. Der Satellit wurde von Orlando in das NASA Johnson Space Center in Houston

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S AT E L L I T E N Bild 14: ARISSat-1 Bandplan. Der Satellit verfügt über einen 16 kHz breiten Transponder

Texas gebracht, um von dort nach Moskau weiter zu reisen, wo das Kursk-Experiment hinzugefügt und einige abschließende Tests vorgenommen wurden. Danach ging es weiter zum Kosmodrom Baikonur. Am 28. Januar startete ARISSat-1 von Baikonur mit einem Progress-Transporter und erreichte am 30. Januar die ISS. Am 11. Februar gab es einen ersten Test. ARISSat-1 wurde an einer Außenantenne der ISS in Betrieb genommen und sendete im 2-m-Band mehrere Bakentexte. Zahlreiche Amateure empfingen diese Tests, unter anderem Roland Marcel Zurmely, PY4ZBZ, in Brasilien. Eine Audiodatei zum Nachhören gibt es bei [4].

ARISSat-1 Band Plan

Bild 15: „Fly a file“ heißt diese Aktion der ARISS. Die Funkamateure hatten Schüler dazu aufgerufen, Bilder oder Zeichnungen einzusenden. Diese wurden auf einen Speicherstick kopiert, der in ARISSat-1 eingebaut wurde und mit dem Satelliten die Erde umkreisen soll

Neuer Termin für EVA im Juli 2011 Am 16. Februar war der Termin zum Aussetzen von ARISSat-1 vorgesehen. Leider wurde dieser kurzfristig abgesagt. Der Satellit verblieb in der Raumstation. Roscosmos hat angekündigt, ARISSat-1 beim nächsten Außeneinsatz im Juli 2011 auszusetzen. Als Begründung wurden kurz-

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fristige Änderungen im Zeitplan der Besatzung genannt. Es muss geklärt werden, in welchem Zustand die Batterie zu diesem Zeitpunkt ist, da sie während des Aufenthaltes auf der ISS nicht durch die Sonnenkollektoren geladen werden kann. Weiterhin teilte Roscosmos mit, ARISSat-1 am 12. April an der ISS-Antenne zu betreiben, um an diesem Tag den 50. Geburtstag des ersten bemannten Raumfluges von Juri Gagarin zu würdigen. Die AMSAT wird dieses Ereignis unterstützen und ein Diplom für den Empfang des ARISSat1-Signals an diesem Tag herausgeben.

Literatur [1] Monteiro, Tony, AA2TX; Smith, Gould, WA4SXM: An ARISSat-1 Overview. The AMSAT Journal; Volume 33, No. 5, September/October 2010, S. 9–11 [2] http://www.arissat1.org [3] http://www.energia.ru/en/news/news-2010/news_12-31.html [4] http://www.arrl.org/news/arissat-1-transmits-from-the-international-space-station [5] http://www.federalspace.ru/main.php?id=2&nid=11374 [6] http://radioskaf.ru/

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