Kostengünstiger, flexibler und sicherer, Galileo-fähiger Softwareempfänger unterstützt Weltraummissionen

EU-finanzierte Ingenieurinnen und Ingenieure weiten die Flexibilität und Kostenvorteile von softwarebasierten Weltraumempfängern, die das globale Satellitennavigationssystem nutzen, aus, um Raumsonden mit reibungslosen Navigationskapazitäten in niedrigen und hohen Bereichen des Erdorbits auszustatten – und potenziell sogar darüber hinaus.

Weltraum

Im Weltraum sorgen Empfänger für Signale von globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) dafür, dass Satellitennavigation, genaues Timing sowie präzise Umlaufbahn- und Fluglagebestimmungen möglich werden. Das EU-finanzierte Projekt ENSPACE hat Quantensprünge in der Entwicklung einer softwarebasierten Galileo-fähigen GNSS-Lösung zurückgelegt, die besonders auf den Marktsektor der kleinen Satelliten abzielt, einen der am schnellsten wachsenden Segmente des „neuen Weltraumzeitalters“. Softwarebasierte GNSS-Empfänger ermöglichen eine neue Herangehensweise an den Weltraum. Entsprechende Aktivitäten wurden vom Projektkoordinator Qascom gemeinsam mit der NASA im Jahr 2016 auf den Weg gebracht. Das Experiment basierte auf der Verwendung der Software Defined Radio-Plattform SCaN der NASA, die am Äußeren der Internationalen Raumstation angebracht wurde. Mit der SCaN-Testumgebung wurde Neuland betreten, indem nun in der Umlaufbahn auf der Raumstation ein Labor zur Entwicklung von Software Defined Radio-Technologie bereitsteht, um verbesserte Navigations- und Kommunikationsexperimente zu realisieren. „Im Rahmen von ENSPACE entwickelten wir dieses Konzept weiter und investierten in eine neue softwarebasierte GNSS-Lösung, die auf kommerzieller, serienmäßig produzierter Hardware installiert wurde und auch mit anderen System-auf-einem-Chip-Komponenten kompatibel ist“, merkt Samuele Fantinato an, Leiter der Einheit für fortgeschrittene Navigation bei Qascom. „Unser Ziel besteht darin, ein Referenzprodukt für die Navigation, Positionierung und Zeitplanung von Weltraummissionen bereitzustellen, die eine kostengünstige, sichere und flexible Software erfordern“, fügt Fantinato hinzu. Im Vergleich zu integrierten Schaltkreisen bietet die Software-Version erhebliche Entwicklungsfreiheit, sie lässt sich schnell an die Bedingungen im Weltraum anpassen und kann entsprechend den Missionsanforderungen individuell auf GNSS-Anwendungen abgestimmt werden.

Die wichtigsten Erwägungen im Weltraum

Im Weltall müssen GNSS-Empfänger in völlig anderen Umgebungen als ihre Verwandten auf der Erde agieren. „Die genaue Ortung im Weltraum ist für Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn relativ einfach. In höheren Flughöhen wie zum Beispiel in geostationären Umlaufbahnen oder bei interplanetaren Missionen werden Signalschwankungen jedoch zunehmend zu einem Faktor. Das Hinzufügen neuer Konstellationen könnte die Genauigkeit in solchen Orbits verbessern“, erklärt Fantinato. Die am Projekt Beteiligten haben neuartige Verfahren für eine verbesserte Navigation, Positionierung und Sicherheit im Weltraum vorgeschlagen. Geladene Teilchen und Gammastrahlung stellen eine weitere Gefahr für den ordnungsgemäßen Betrieb von GNSS-Empfängern dar. Die softwarebasierte GNSS-Lösung von ENSPACE integriert Verfahren und Logikredundanzen, die eine belastbarere Positionierungsgenauigkeit für den Fall von Strahlungsereignissen bieten. „Die Experimente von ENSPACE haben auch die Vorteile der Positionierung anhand von Momentaufnahmen von der Erdoberfläche aus gezeigt – ein Verfahren zur Ortung des GNSS-Empfängers unter Einsatz eines sehr kurzen Intervalls zwischen den empfangenen Satellitensignalen. In diesem Fall könnte die Technologie auf eine Satellitennavigationsnutzlast mit minimaler Hardware und Software gestützt werden, die die an die Erde gesendeten Abtastsignale sammeln“, merkt Qascom-Direktor Alessandro Pozzobon an. Die Forschungsgruppe plant derzeit Weiterentwicklungen von Verfahren, die die Anfälligkeit von GNSS-Empfängern gegenüber vorsätzlichen Störungen und Manipulationen reduzieren sollen. „Die Bereitstellung von einem gewissen Grad an Authentifizierung, um gegen GNSS-Manipulation vorzugehen, stellt eine genaue Positionierung und belastbare Navigationsfähigkeit sicher, die über den Stand der Technik der GNSS-Dienste hinausgehen“, merkt Fantinato an. Der Galileo-fähige Empfänger ist in die CubeSat-Mission BOBCAT-1 integriert, die vor Kurzem von der Internationalen Raumstation aus gestartet wurde. Nach der Validierung seiner Leistungsfähigkeit im Weltraum werden die Forschenden an weiteren Verbesserungen der Lösung arbeiten, um ihn zu einem vollwertigen GNSS-Empfängerprodukt weiterzuentwickeln. Darüber hinaus werden sie untersuchen, inwiefern der Empfänger an Trägerraketen oder Satelliten, die den Mond umkreisen, angepasst werden kann.

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Enhanced Navigation in Space

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