Phase 3-D AMSAT-DL Journal


Phase 3-D

Frank Sperber, DL6DBN

AMSAT-Phase 3-D - ein Überblick

Mit einem Durchmesser von über 2 m, einer Höhe von rund 70 cm und 6 m Spannweite mit entfalteten Solarpanels ist Phase 3-D der bislang größte Amateurfunksatellit. Mit 400 kg Startmasse wird er auch der Schwerste sein.

Die Aufgaben von Phase 3-D

Wie fast alle Satelliten des Amateurfunkdienstes dient P3-D primär zwei Zwecken. Zum einen soll er den Funkamateurinnen und Funkamateuren neue Übertragungsmöglichkeiten und -leistungen bieten. Zum anderen stellt er eine Plattform für zahlreiche technologische Experimente dar. Man kann ihn also als experimentellen Kommunikationssatelliten bezeichnen.

Die Kommunikation über Phase 3-D

Mit Phase 3-D wollte das Entwicklungsteam um Dr. Karl Meinzer und Werner Haas (beide AMSAT-DL) den Leistungs- und Antennenbedarf der Bodenstation um bis zu 10 dB je Linkstrecke gegenüber den bisherigen Phase-3 Satelliten senken.

Durch die größere Struktur lassen sich Antennen mit höherem Gewinn unterbringen. Der maximale Gewinn im Mikrowellenbereich wird jedoch durch die Forderung der Vollausleuchtung der Erdoberfläche begrenzt. Bei dem geplanten Orbit mit einer Apogäumshöhe von über 47000 km bedeutet dies maximal 21 dBi Antennengewinn.

Dank größerer Solarzellenflächen steht mehr Energie bereit, und es werden mehrere Sender mit bis zu 200 Watt PEP (bislang 50 W) in P3-D integriert. Aber auch bei den Empfängern soll eine Verbesserung durch das Technologieexperiment LEILA erreicht werden.

LEILA

Hinter LEILA verbirgt sich eine Leistungs-Limit-Anzeige. Bislang war es ein großes Problem, bei unterschiedlichen Uplinkstrahlungsleistungen der Bodenstationen über die Lineartransponder eine Benachteiligung schwacher Stationen zu vermeiden. Durch zu starke Uplinksignale wurde, bei begrenzter Sendeleistung des Satelliten, die Empfindlichkeit der Empfänger herabgeregelt, wodurch das S/N-Verhältnis besonders schwacher Signale zuweilen unzureichend war.

Das vom BMFB geförderte LEILA-Experiment soll nun Bodenstationen, die eine zu hohe Strahlungsleistung anwenden, mit einem Signal markieren oder selektiv im ZF-Durchlaßbereich mittels Kerbfilter bedämpfen. Im Prinzip wird der Übertragungsbereich zyklisch nach solchen Signalen abgetastet. Frequenzvariable Filter können dann auf dieses Signal eingestellt werden. Da über Amateurfunksatelliten Vollduplexverkehr durchgeführt wird, kann die betroffene Bodenstation die Markierung auf dem eignen Downlinksignal zurückhören und die Sendeleistung entsprechend reduzieren.

Die ZF-Matrix

An Bord von Phase 3-D werden für den Lineartransponder Empfänger auf insgesamt sechs Frequenzbereichen (21 MHz, 146 MHz, 435 MHz, 1270 MHz, 2400 MHz und 5670 MHz) und fünf Sender (145 MHz, 435 MHz, 2400 MHz, 10450 MHz und 24050 MHz) integriert.

Um über die geplante Lebensdauer des Satelliten von etwa 15 Jahren eine Transponderanpassung an den Stand der gebräuchlichen Amateurfunktechnik zu ermöglichen, werden sich die Empfänger und Sender über eine Matrix in der Zwischenfrequenz zusammenschalten lassen. Dadurch lassen sich ebenfalls Übertragungsexperimente durchführen, in denen simultan auf mehreren Frequenzbereichen empfangen bzw. gesendet wird.

Diese ZF-Matrix geht auf ein Konzept der AMSAT-DL zurück und wird durch Madjaz Vidmar aus Slowenien zur Einsatzreife weiterentwickelt.

Ein 24 GHz-Transponder

An Bord von Phase 3-D wird zum ersten Mal im Amateurfunkdienst ein 24 GHz Sender im All betrieben. Dieser Sender, der in Belgien entsteht, wird an die ZF-Matrix angekoppelt.

Die Hauptaufgaben des Senders sind die Ausbreitungserforschung und die Untersuchung, ob dieser Frequenzbereich bei zukünftigen Missionen der AMSAT verstärkt eingesetzt werden kann.

RUDAK-U

"The world becomes digital" - Dieser Satz gilt auch für den Amateurfunkdienst und den Amateurfunkdienst über Satelliten. Nach Phase 3-C und vielen MicroSats mit digitalen Kommunikationskomponenten sind auf Phase 3-D knapp 60 % der gesamten Übertragungsbandbreite für digitalen Betrieb reserviert.

Unter der Berücksichtigung, daß AMSAT-Phase 3-D möglichst bis über das Jahr 2010 hinaus betrieben werden soll, stellt sich an die Satellitenkomponenten die Forderung höchster Flexibilität. Schließlich weiß heute niemand zu sagen, welche Dienste und Verfahren sich in den kommenden Jahren entwickeln und durchsetzen werden.

Um dieser Forderung gerecht zu werden, setzt man weitgehend auf Software gepaart mit schnellen Hardwarekomponenten - großenteils in DDS/DDC- und DSP-Technologie. Dadurch werden unterschiedliche Modulationsarten und Übertragungsprotokolle während des Betriebszeit möglich.

 

Weitere Technologieexperimente

Mit den Modulen zur Kommunikation allein ist Phase 3-D jedoch nicht lebensfähig. Zum endgültigen Betrieb sind eine Fülle weiterer Komponenten notwendig, worunter auch die folgenden Entwicklungen fallen.

Die neue Phase-3 Struktur

Die ersten Vorgespräche zu P3-D zwischen den beteiligten Gruppen fanden im Herbst 1990 statt. Bereits ein Jahr später gab es nach dem Erhalt der Rahmenspezifikationen der ESA einen Entwurf für die Struktur des Satelliten. Diese annähernd dreieckige Struktur besaß in ihrem Inneren einen konischen Adapter als Träger weiterer ARIANE-Nutzlasten. Es wurden ein Modell im Maßstab 1:1 durch Konrad Müller (AMSAT-DL Mechanik) gebaut und mechanische Teile für die Flighthardware in Auftrag gegeben.

Ende 1992 teilte die ESA der AMSAT mit, daß die Rahmenbedingungen (Maße und Gewicht) für den Phase 3-D Start entscheidend geändert worden seien. Binnen kürzester Zeit mußte seitens des P3-D Projektteams eine neue Struktur entwickelt werden. Dank des besonderen Einsatzes von Dick Janssen (AMSAT-NA), des AMSAT-DL Teams und Herrn Gladisch von der AMSAT-DL Dokumentationsabteilung konnten schon zwei Monate später die technischen Zeichnungen der neuen, sechseckige Struktur vorgelegt werden. Eine Besonderheit gegenüber früheren Entwürfen sind die innenliegenden Heat-Pipes zum Temperaturausgleich zwischen sonnenzugewandter und -abgewandter Seite.

Die Struktur wurde unter Anleitung von Konrad Müller an der Weber-State-University in den USA gebaut und steht nun zur Integration der Komponenten in Orlando, Florida.

Der CAN-Bus

Bei den bisherigen Phase-3 Satelliten wurden die einzelnen Module über einen Kabelbaum elektrisch miteinander verbunden. Dies ist auch bei Phase 3-D für die entscheidenden Signale noch so. Zusätzlich sollen jedoch mehrere Telemetrie- und Steuersignale über einen aus der Automobilindustrie bekannten CAN-Bus übertragen werden.

Hauptziel dieses Experiments, das von Peter Gülzow (AMSAT-DL) geleitet wird, ist die Weltraumerprobung einer robusten Bustechnologie. Bei zukünftigen Missionen wäre es sehr wünschenswert, den Verdrahtungsaufwand und damit auch das Gewicht reduzieren zu können.

Differentielles GPS

Eine Gruppe der AMSAT-NA möchte GPS an Bord des Satelliten nutzen. Mit einem GPS-Empfänger lassen sich bereits die Bahnparameter zur Eigenbestimmung der Keplerdaten durch den Satelliten gewinnen. Mit diesem Experiment soll darüber hinaus durch mehrere Empfänger, die die GPS-Signale differenziell auswerten, auch eine Lagebestimmung des Satelliten erprobt werden.

Da der Satellit im endgültigen Orbit in allen drei Achsen geregelt werden soll und eine optimale Ausrichtung zur Erde (Antennenstrahlrichtung) und zur Sonne erzielt werden muß, ist eine exakte Vermessung der Fluglage unumgänglich. Die Daten sollen im Bordrechner verarbeitet und zur autonomen Steuerung der Drehmomenträder genutzt werden.

 

Magnetisch gelagerte Drallräder

Bis zum Erreichen des endgültigen Orbits wird der Satellit wie seine Vorgänger spinstabilisiert und über Elektromagneten in Erdnähe in seiner Lage gesteuert. Im Endorbit soll die Lageregelung aber über Drall- bzw. Drehmomenträder erfolgen.

Über die lange Lebensdauer des Satelliten gesehen, stellen mechanische Teile durch ihren Verschleiß eine Gefährdung des Missionsziels dar. Dies ist übrigens mit ein Grund, warum die Solarzellen nur einmalig entfaltet werden und nicht unabhängig vom Satellitenrumpf der Sonne nachgeführt werden können. Dr. Karl Meinzer hat nun für die Lagerung der Drallräder eine elektromagnetische Aufhängung konzipiert.

Zwei Studenten der TH Darmstadt setzten im Rahmen einer Diplomarbeit diese Konzeption in die Flugtauglichkeit um. Unterstützung erhielten sie dabei durch Konrad Müller und Dr. Karl Meinzer aus den AMSAT-DL Laboren.

ATOS

Neben einem erprobten 400 N Flüssigkeitstriebwerk wird Phase 3-D als weltweit erster Satellit ein thermisches Lichtbogentriebwerk (Arcjet) erhalten. Das Projekt ATOS (Arcjet Triebwerk auf OSCAR-Satelliten) wurde von Prof. Dr. Ernst Messerschmid (D1-Mission) am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart aus der Taufe gehoben. Dr. Dieter Zube entwickelte das Triebwerk am Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung der TU Dresden für den Einsatz auf P3-D weiter. Das Projekt wird durch die DARA und das sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur unterstützt. Die AMSAT-DL liefert die Energieversorgungskomponenten und Elektronik zur Ansteuerung durch den Bordrechner. Neben der Raumfahrterprobung des Arcjets wird die Aufgabe des Triebwerks die Feinregulierung der P3-D Bahn sein.

Das Treibgas (NH3) strömt in den Brennraum des Triebwerks und wird dort auf bis zu 15000 K erhitzt. In der Düse entspannt sich das Gas und dient zum Satellitenvortrieb mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 4200 m/s. Es erreicht dabei einen Schub von 95 mN. Während des Brennvorgangs beträgt die elektrische Leistungsaufnahme 750 W. Nach einem Zündimpuls mit 3 kV wird der Lichtbogen mit 88 V aufrecht erhalten.

Der Phase 3-D Orbit

Phase 3-D soll im September 1996 (Stand Dezember 95) mit dem zweiten Testflug der ARIANE 5 in einen geosynchronen Transferorbit gebracht werden. Von dort muß der Satellit aus eigener Kraft seinen endgültigen, optimierten Molniyaorbit erreichen. Ersatzweise kann auch eine ARIANE-4 Start bis Mitte 1997 erfolgen.

Die Orbitphasen

Nach dem Start und dem Absetzen von der Trägerrakete wird sich AMSAT-Phase 3-D auf einer stark elliptischen Bahn befinden. Wenn die Lage und Bahn des Satelliten in diesem Orbit bestimmt worden sind und die Kommunikationssysteme zur Fernbedienung einwandfrei arbeiten, wird die erste Zündung des 400 N Triebwerks im Perigäum initiiert. Danach ist die endgültige Apogäumshöhe von 47000 km erreicht.

Durch eine zweite Zündung werden die Inklination auf 60° und das Perigäum auf 4000 km angehoben. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Apogäum noch annähernd über dem Äquator. In dieser Phase werden die äußeren Solarpanels entfaltet und der Transponderbetrieb aufgenommen. Die Dreiachsenstabilisierung beginnt.

Um die Apogäumslage über der Nordhalbkugel zu erreichen, läßt man die Bahnellipse für etwa zwei Jahre driften. Sobald das gewünschte Perigäumsargument von 225° oder 315° erreicht ist, soll mittels des ATOS-Triebwerks die endgültige Inklination von 63,4° erreicht werden. Bei dieser Inklination bleiben die Perigäums- und Apogäumslagen in ihren Breitenkoordinaten konstant. Kleinere Bahninstabilitäten, die z.B durch die Mond- und Sonnengravitation hervorgerufen werden, können über ATOS ausgeglichen werden.

Der endgültige Orbit

Funkamateure können ihren Funkdienst nur in ihrer Freizeit betreiben. Die freie Zeit liegt aber in der Regel vor und nach der täglichen Arbeit, also meistens in den Morgenstunden und am späten Nachmittag und Abend. Glücklicherweise beträgt die Zeitverschiebung der drei Hauptpopulationszonen der Nordhalbkugel (Europa, Fernost und Nordamerika) zwischen sechs und zehn Stunden. Das bedeutet, wenn es in Europa Morgen ist, ist in Japan Nachmittag und in Amerika der späte Abend des Vortags.

Nach umfangreichen Orbitstudien hat sich eine Umlaufzeit von 16 Stunden für Phase 3-D herauskristallisiert. Dadurch treten alle zwei Tage die gleichen Überdeckungen zwischen den verschiedenen Zeitzonen auf.

Jetzt heißt es nur noch "Daumen drücken", damit Integration und Start gelingen.


© AMSAT-DL/DL6DBN, Stand 08/1998
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