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Aus Raspberry Pi Geek 02/2015

CubeSat: Linux und der RasPi in der Weltraumforschung

© Johnson Space Center / NASA

Würfelspiele

Richard Ibbotson

Schon bald wird ein Raspberry Pi seine irdischen Wurzeln hinter sich lassen und sich auf die Reise zum Mond machen. Wir stellen das CubeSat-Projekt vor und sprechen mit Patrick Stakem, einem der Pioniere der Open-Source-Weltraumforschung.

CubeSat beschreibt in Form von quelloffenen Spezifikationen [1] einen Satelliten für die Weltraumforschung. Die 1U-Grundeinheit [2] (“one unit”, Abbildung 1) umfasst lediglich ein Volumen von 1 Liter (10 x 10 x 10 cm) mit einem Gewicht von 1,33 Kilogramm [3]. Die entsprechenden Vorgaben wurden 1999 von den zwei kalifornischen Universitäten Cal Poly und Stanford veröffentlicht und zielen darauf ab, die Kosten der Weltraumforschung durch die Verwendung kommerziell frei verfügbarer Komponenten zu senken.

Heute unterstützen zahlreiche akademische Institutionen, Behörden und Unternehmen CubeSat [4]. Ursprünglich kam in zahlreichen der Spezifikation folgenden Satelliten relativ teure, kommerzielle Hardware zum Einsatz, gelegentlich auch einmal Selbstgelötetes. Immerhin fanden sich neben ebenfalls kommerzieller Software schon früh auch Open-Source-Lösungen zur Steuerung der Hardware [5], darunter auch solche auf Linux-Basis [6].

Im Herbst 2013 sorgte dann das Kickstarter-Projekt ArduSat [7] für einen Paradigmenwechsel: Erstmals flog ein CubeSat auf Basis von Open Hardware in den Orbit. Er kombinierte zahlreiche Arduino-Komponenten mit einem umfangreichen Sensorensatz, die Kontrollprogramme entstanden mithilfe eines speziell für die ArduSat-Experimente entwickelten Open-Source-SDKs [8].

CubeSat gibt nicht nur den technischen Rahmen für die Entwicklung von Kleinstsatelliten vor, sondern fungiert daneben auch als Ausbildungsrahmen, innerhalb dessen Studenten ihre Vorstellungen und Ideen für Projekte der Weltraumforschung umsetzen können. Die laufende CubeSat Launch Initiative (CSLI) der NASA [9] dient dazu, entsprechende Anreize zu liefern und Startmöglichkeiten zu bieten. Daneben versucht auch das ELaNa-Projekt (“Educational Launch of Nanosatellites”) des Kennedy Space Centers [10] die NASA und Universitäten im Rahmen von Forschungsprojekten rund um Kleinstsatelliten zusammenzubringen.

RasPi im Weltall

Das erfolgreiche Kickstarter-Projekt LunarSail [11] beschäftigt sich ebenfalls damit, auf der Basis quelloffener Soft- und Hardware ein Weltraumprojekt voranzubringen. Das Kernstück bildet ein 3U-CubeSat, der die Einsatzmöglichkeiten von Sonnensegeln (Abbildung 2) für den Antrieb von Raumfahrzeugen demonstrieren soll. Dazu ist geplant, den Satelliten mittels eines Solarsegels aus dem Erdorbit in eine Mondumlaufbahn zu bringen. Damit verließe erstmals ein CubeSat die niedrige Erdumlaufbahn zu einem Rendezvous mit einem anderen Himmelskörper.

Wie die Webseite des LunarSail-Projekts betont, kommen bei der Entwicklung des Satelliten wo immer möglich freie Software und offene Hardware zum Einsatz. Der Hauptrechner des SolarSail basiert auf einem für die spezifischen Umweltbedingungen im Weltraum modifizierten Raspberry Pi. “Wir haben uns für diese Plattform entschieden, weil sie offen ist und Linux als Betriebssystem verwendet”, heißt es auf der LunarSail-Website, “aber auch, weil der RasPi noch nie zuvor in einem Raumfahrzeug zum Einsatz gekommen ist.” Im Rahmen der CubeSat Launch Initiative will man eine Startgelegenheit für den Sonnensegler bei der NASA ergattern.

Die NASA selbst findet das Konzept der Planetenerforschung mithilfe von Kleinstsatelliten offenbar recht attraktiv. So hat das legendäre NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena unlängst nicht weniger als zehn CubeSat-Vorschläge verschiedener Universitäten in eine Studie zur Erforschung des Jupitermonds Europa integriert. Die CubeSats sollen huckepack mit der Hauptmission ins Jupitersystem fliegen. Dort abgesetzt, würden Sie dann unabhängig von der Muttersonde ergänzende Messwerte liefern.

Open-Source-Satellitenbau

Die NASA stellt für die Entwicklung von Kleinstsatelliten das quelloffene, plattformunabhängige Framework Core Flight Executive (cFE) zur Programmierung von Embedded-Anwendungen bereit [12]. Es besteht aus einem cFE-Core und der Bibliotheks- und Anwendungssammlung Core Flight System (CFS) zur Missionsplanung. Wie die einzelnen Teile der Software genau miteinander und mit der Hardware zusammenspielen, erläutert eine Präsentation [13] des NASA-Ingenieurs Alan Cudmore vom Goddard Space Flight Center.

Das modulare CubeSat-Konzept eröffnet obendrein ganz neue Missionsmöglichkeiten. So könnten beispielsweise ganze CubeSat-Geschwader im Clustering-Betrieb für eine bessere Datenkommunikation und eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit beim Auswerten von Daten sorgen [14], etwa mithilfe der Clustering-Software Beowulf [15]. Auf diese Weise stünde zu vergleichsweise geringen Kosten Supercomputing-Rechenpower etwa für die Planetenerforschung zur Verfügung.

Eine weitere interessante Einsatzvariante stellen per Solarzellen betriebene sogenannte Atmosats dar. Solche “atmospheric satellites” sollen noch innerhalb der Lufthülle der Erde operieren, jedoch in Höhen jenseits von 20 Kilometern und für lange Zeiträume – angedacht ist eine Betriebsdauer von bis zu fünf Jahren. Damit könnten die Atmosats (Abbildung 3) bei geringen Kosten Aufgaben übernehmen, für die man sonst teure Satelliten in einen niedrigen Erdorbit befördern müsste. Die geplanten Einsatzgebiete umfassen unter anderem Wetterbeobachtung, Kommunikation, Fotokartierung und Katastrophenhilfe.

Auf zum CubeSat-Workshop

Falls Sie sich für die weitere Entwicklung von Open-Source-Satellitentechnik interessieren, bietet sich demnächst eine erstklassige Gelegenheit, sich über den aktuellen Stand der Entwicklung zu informieren und Einblick in kommende Projekte zu erhalten. Am 26. und 27. Mai 2015 findet in South Kensington, London, der 4. Interplanetary CubeSat Workshop (iCubeSat) statt [16]. Schauen Sie doch einfach mal vorbei! 

Interview: CubeSats am College

Um einen tieferen Einblick in die Möglichkeiten von CubeSats für Forschung und Lehre zu erhalten, sprachen wir mit Professor Patrick Stakem über CubeSats und verwandte Projekte, die die Schüler am Capitol College von Laurel [17] im US-Bundesstaat Maryland entwickeln. Professor Stakem hat bereits das FlightLinux-Projekt [18] für das Goddard Space Flight Center der NASA betreut.

Raspberry Pi Geek:Wie kam das Capitol College dazu, sich mit CubeSats zu beschäftigen?

Patrick Stakem: Eigentlich fing alles ganz harmlos an, mit kleinen ferngesteuerten Autos, Booten und Quadcoptern als Träger für Sensorlasten. Lässt man die mit einer per WLAN angebundenen Webcam über eine simulierte Marslandschaft sausen, bringt man die Schüler viel leichter dazu, sich mit den entsprechenden technischen Hintergründen zu beschäftigen. Noch mehr Begeisterung wecken natürlich Projekte mit hochfliegenden Ballons oder gar Raketen. So lernen die Schüler auf spielerische Weise die Probleme kennen, denen man in größeren Projekten begegnet, und können sich mit der Auswertung von Messdaten aus realen Situationen vertraut machen.

Den Dozenten geben solche Projekte die Möglichkeit, ohne Druck wissenschaftliche Methoden und Ingenieurspraktiken zu vermitteln. Die Lernkurve bleibt dabei relativ flach; von einfachen Vehikeln aus dem Spielzeugregal geht es nahtlos weiter zu Quadcoptern und Ballons und schließlich zu CubeSats. Mit der wachsenden Komplexität lernen die Schüler außerdem, in Teams zusammenzuarbeiten, um kompliziertere Projekte abzuwickeln, mit denen ein Einzelner überfordert wäre.

RPG:Fällt das nun unter Spiel und Spaß oder unter Wissenschaft?

PS: Eindeutig Letzteres. Ballons steigen zu lassen oder Raketen abzuschießen macht zweifellos Spaß, aber davor steht die Definition eines klaren wissenschaftlichen Zwecks, das Zusammenstellen eines entsprechenden Sensoren- und Kontrollpakets und die Planung der eigentlichen Mission. Im Anschluss gilt es, die erfassten Daten aufzubereiten und auszuwerten. Auf diesem Weg lernen die Schüler viel über Hardware, Software-Entwicklung, das Anbinden von Sensoren und die Datenerfassung.

Das alles ist nur möglich, weil dazu heute – anders als noch vor wenigen Jahren – preiswerte und weitgehend offene Hard- und Software zur Verfügung steht. Dazu zählen insbesondere billige, mit minimalem Stromverbrauch laufende Rechner wie der Raspberry Pi, aber auch immer leistungsfähigere, aber einfach anzusprechende Sensoren und Aktuatoren, plus GPS und praktisch überall verfügbarer drahtloser Kommunikation.

RPG:Und wo geht die Reise künftig hin?

PS: Der neueste Ansatz heißt Cloud Robotics und bezeichnet das Ausnutzen der praktisch allgegenwärtigen Dateninfrastrukturen, also WLAN und Mobilfunknetze, für mobile Roboter. Das Zusammenlaufen der verschiedenen Schlüsseltechnologien bei gleichzeitig sinkenden Kosten für leistungsfähige Systeme hat dazu geführt, dass sich heute jedermann mit solchen Systemen beschäftigen kann. Ein Bastler darf sich heute berechtigte Hoffnungen machen, seinen selbst entwickelten CubeSat auch in den Orbit befördert zu bekommen. Weitere Chancen für Forschung und Lehre bieten Projekte wie die DARPA Robotics Challenge oder der Google Lunar X-Prize. Um da teilzunehmen, können beispielsweise studentische Teams über verschiedene Kontinente hinweg per Internet zusammenarbeiten.

Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet stellen solarbetriebene Ballons, Prallluftschiffe und Flugzeuge dar, die als Atmosats in Höhen von 25 000 Metern oder mehr für Wochen, Monate oder gar Jahre operieren. Atmosphären- und Wetterforschung, Waldbranderkennung, Kartierung und Geodaten-Sammlung sind nur einige der Stichworte zu diesem Umfeld. GPS erlaubt in jedem Fall eine präzise Navigation, die Kommunikation läuft bei hoch fliegenden Einheiten via Satellit ab, bei niedrig fliegenden über das Mobildatennetz. Es muss aber nicht zwangsläufig hoch hinaus gehen: Bei der Meeresforschung kommen beispielsweise zunehmend “smarte” Bojen zum Einsatz, mit Sensoren, die Daten wie Wassertemperatur oder Salzgehalt erfassen.

RPG:Vielen Dank für das Gespräch, Professor Stakem!

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