Kommunikationskonzepte für selbstorganisierende verteilte Kleinstsatellitensysteme

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Scheuermann; Professor Dr. Klaus Schilling
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329050216

Die Raumfahrt steht vor einem Paradigmenwechsel: Als Alternative zu monolithischen Satellitensystemen werden vermehrt Gruppen von kleinen, kooperierenden Satellitenystemen in Betracht gezogen. Dies erlaubt flexiblere Missionen und neue Anwendungsszenarien bei zugleich niedrigeren Kosten und verbesserter Ausfallsicherheit, bedingt aber neue und im Vergleich zu den bisher gängigen Ansätzen deutlich komplexere Kommunikations- und Koordinationsverfahren. Das hier beantragte Projekt wird Grundlagen für die Kommunikation in zukünftigen Systemen kooperierender Kleinstsatelliten legen. Erstrebenswert ist dabei ein robustes Gesamtsystem, das Kommunikationsbandbreite und Energie effizient nutzt und dabei mit (Teil-)Ausfällen umgehen und diese soweit möglich kompensieren kann. Es müssen beispielsweise Status- und Positionsinformationen zwischen den Satelliten ausgetauscht, Sensordaten energieeffizient zur Erde übertragen und Befehle zuverlässig in das Satellitennetz übermittelt werden.Das Projekt nutzt dabei zwei spezifische Szenarien aus dem Bereich der Erdbeobachtung als Ausgangspunkt und konzentriert sich auf Fragen des Kommunikationsprotokollentwurfs in solchen Systemen. Das erste Szenario betrachtet eine Formation von Erdbeobachtungssatelliten, also eine Gruppe von relativ nahe beieinanderstehenden und sich kooperativ gemeinsam ausrichtenden Satelliten, die gemeinsam optische oder magnetische Messungen durchführen und dabei ihre Positionsunterschiede für die zeitgleiche Erfassung von Daten an mehreren Punkten bzw. aus unterschiedlichen Blickwinkeln nutzen können. Das zweite Szenario basiert auf einer Satellitenkonstellation, also einer Anordnung auf räumlich stark verteilten Bahnen, mittels derer die aktuellen Positionen von Transpondern (beispielsweise auf Zügen, Schiffen oder Flugzeugen) weiträumig erfasst werden werden. Es stellt damit deutlich andere, aber ebenfalls für praktische Anwendungsfälle sehr relevante Anforderungen.In beiden Fällen sollen die Charakteristika von Kleinstsatellitennetzwerken genutzt werden, um die Effizienz der Kommunikation zu erhöhen. Hierzu gehören die vorhersagbaren Kontaktzeiten zwischen den Netzwerkteilnehmern und das Wissen über Menge, Ursprung und Struktur der erhobenen Daten, aber auch die im Vergleich zu vielen anderen Gebieten relativ gute Vorhersagbarkeit von Verfügbarkeit und Verbrauch von Energie und anderen Ressourcen. Dies kann beispielsweise bei der Planung von Übertragungen oder für eine kooperativ zwischen den Satelliten durchgeführte Datenaggregation ausgenutzt werden. Die entworfenen Protokolle und Mechanismen werden analytisch, simulativ und experimentell untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen