CubeSat-Netzwerke für geodätische Erdbeobachtung am Beispiel der Schwerefeldbestimmung (CubeGrav)

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Pail; Professor Dr. Klaus Schilling
• Fachliche Zuordnung: Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440392851

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es wurde eine Machbarkeitsstudie (Phase A) für eine potenzielle Gravimetrie-Mission mit Würfelsatelliten (CubeSats) zur Überwachung des Erdschwerefeldes durchgeführt. Wir analysieren die wissenschaftlichen Anforderungen auf der Grundlage der Nutzerbedürfnisse und identifizieren und bewerten potenzielle Kandidateninstrumente. Um die Hauptfehlerquelle aktueller Schwerefeldmissionen zu reduzieren, d.h. das zeitliche Aliasing, das aus der Unterabtastung hochfrequenter Massensignale resultiert, werden Cube-Sat-Konstellationen mit mehreren Satellitenpaaren untersucht. Wir wählen die Konstellation von 4 polaren und 4 inklinierten Satellitenpaaren, die auf mehreren Bahnebenen verteilt sind, als vielversprechendsten Kandidaten aus. Das Systemdesign konzentriert sich auf die Entwicklung einer Satellitenplattform, die die wissenschaftlichen Präzisionsanforderungen erfüllt und gleichzeitig die CubeSat-Struktur bewahrt und die daraus resultierenden Budgetbeschränkungen einhält. Durch die Integration von flugerprobten Technologien aus Missionen wie NetSat und UWE gewährleistet das Design Zuverlässigkeit. Das Antriebssystem, das ein chemisches Standardmodul mit Distickstoffoxid und Propen verwendet, bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Einfachheit. Eine detaillierte Analyse der Delta-V- Kapazitäten und des Treibstoffschwappens wird die Stabilität der Mission gewährleisten. Das Stromversorgungssystem mit ausfahrbaren Sonnenkollektoren maximiert die Energieerzeugung. Ein vorläufiges Energiebudget zeigt eine optimale Energierückgewinnung bei stabiler Ausrichtung. Es wurden jedoch noch einige Herausforderungen festgestellt: Der derzeitige Engpass der Mission ist die Verfügbarkeit von wissenschaftlicher Nutzlast, die die Leistungsanforderungen und gleichzeitig die Anforderungen an Größe, Gewicht und Energie erfüllt. Basierend auf den zur Verfügung gestellten Volumenzahlen ist eine Reduzierung von mindestens 35% für die Entfernungsmessung und den Beschleunigungsmesser notwendig, um in das gewählte 6U CubeSat Design zu passen. Da die Satellitenpaare auf mehrere Bahnebenen verteilt sind, muss ein geeigneter Rideshare identifiziert oder eigene Trägerfahrzeuge genutzt werden. Zusammenfassend können wir feststellen, dass eine Konstellation von mehreren CubeSats einen erheblichen Mehrwert für die zeitliche Schwerefeldmessung und die Überwachung verschiedener klimarelevanter Prozesse mit erhöhter zeitlicher Auflösung bieten kann und in einer Phase-B-Studie genauer untersucht werden sollte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Multi-satellite formations and constellations of CubeSats and their potential in NGGMs. Scientific Assembly of the International Association of Geodesy, 2021
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Observing the Earth´s Gravity Field with CubeSats – Constellation Design Study. 12th European CubeSat Symposium, 2021
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Simulation study on gravity field determination with small satellites in NGGM. European Geosciences Union General Assembly, 2021
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Capabilities and limits of Multi-satellite constellations and formations for temporal gravity field retrieval. ESA Living Planet Symposium, 2022
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Gas-Surface performance indicators in a Very Low Earth Orbit CubeSat mission. 44th COSPAR Scientific Assembly, 2022
  Kremmydas, P. D., Nazlidou, P. & Schilling, K.
  
• Networks of CubeSats and their potential for gravity field retrieval in the frame of the CubeGrav Project. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2022
  Pfaffenzeller, N., Pail, R., Schilling, K. & Kremmydas, P. D.
  
• Networks of CubeSats and their potential for gravity field retrieval in the frame of the CubeGrav Project. ESA Living Planet Symposium, 2022
  Pfaffenzeller, N., Pail, R., Schilling, K. & Kremmydas, P. D.
  
• Potential and limits of small satellite networks for temporal gravity field retrieval in the frame of the CubeGrav Project. European Geosciences Union General Assembly, 2022
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Capabilities of multi-satellite constellations for the co-estimation of ocean tide constituents on different time scales. MAGIC Science and Applications Workshop 2023
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Potential and limits of small satellite missions for determining ocean tide constituents on different time scales. 28th International Union of Geodesy and Geophysics General Assembly, 2023
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Small satellite formations and constellations for observing sub-daily mass changes in the Earth system. Geophysical Journal International, 234(3), 1550-1567.
  Pfaffenzeller, Nikolas & Pail, Roland
  
• Capabilities of ocean tide aliasing reduction by co-estimation of major constituents with future satellite constellations. Symposium on Gravity, Geoid and Height Systems 2024
  Pfaffenzeller, N. & Pail, R.
  
• Future satellite gravimetry with a network of miniaturized satellites. Gravity, Geoid and Height Systems Symposium 2024
  Pfaffenzeller, N., Pail, R., Jesen, J., Kamble, P. V., Datar, T., Kleinschrodt, A. & Schilling, K.