Erdbeobachtungssatelliten sammeln große Datenmengen, während die Übertragungskapazitäten zur Erde begrenzt sind. Spezielle Computer, sogenannte Data Processing Units (DPUs), speichern, werten und komprimieren diese Daten direkt im Satelliten – effizient und zuverlässig. 

Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, in Freiburg forscht und entwickelt seit 2014 DPUs für Kleinsatelliten. An Bord des Erdbeobachtungssatelliten Sky-Bee-1 von constellr startete am 14. Januar die neueste und leistungsfähigste DPU des Forschungsinstituts in den Orbit. constellr ist eine Ausgründung des Fraunhofer EMI.

DPU: Gehirn der Nutzlast

Die DPU misst ca. 10 cm x 9 cm x 6 cm und wiegt rund 840 Gramm. Sie ist der zentrale Computer der Satellitennutzlasten, bestehend aus einem VNIR-Instrument mit zehn Spektralbändern und einer TIR-Kamera mit vier Spektralbändern im Bereich zwischen 8 und 12µm. Sie liefern kontinuierlich Daten zur Landoberflächentemperatur, welche beispielsweise für die Landwirtschaft relevant sind.

Die DPU bereitet die Bilddaten auf, speichert und überträgt sie. Außerdem steuert und überwacht sie die Nutzlasten. Die Software der DPU lässt sich während der Mission rekonfigurieren und bietet einen hohen Automatisierungsgrad sowie Flexibilität im Betrieb. Das System nutzt kommerzielle Komponenten (COTS) und ist dadurch günstig herzustellen. Es setzt auch moderne FPGA-basierte Prozessoren ein, welche die nötige Leistung für hochauflösende Kameras und fortschrittliche Algorithmen bereitstellen.

Hohe Zuverlässigkeit durch Redundanz

Die DPU-Hardware ist redundant aufgebaut. Alle internen Komponenten sind mindestens doppelt vorhanden, so kann im Fehlerfall auf die Ersatzkomponente umgeschaltet werden. Damit erfüllt das COTS-basierte System die hohen Anforderungen einer kommerziellen Erdbeobachtungsmission.

Zahlreiche Softwaremaßnahmen tragen ebenfalls zu einer erhöhten Zuverlässigkeit im Orbit bei. Beispielsweise ist die gesamte Software in insgesamt 18-facher Kopie auf sechs verschiedenen Speicherbausteinen abgelegt.

Die DPU wurde gemäß der europäischen Raumfahrtnormen » European Cooperation for Space Standardization« hinsichtlich Vibrationen und Thermalvakuumumgebung qualifiziert.

»Die Datenprozessierungseinheit ist ein leistungsstarkes und kosteneffizientes Forschungsprodukt der Fraunhofer-Gesellschaft - optimal auf den Bedarf unserer Industriekunden im Raumfahrtbereich abgestimmt. Wir bedanken uns bei constellr für das Vertrauen, unsere innovative Technologie einzusetzen«, so Prof. Frank Schäfer, Geschäftsfeldleiter Raumfahrt am Fraunhofer EMI.

Weiterentwicklung mit KI-Komponenten

Das Fraunhofer EMI arbeitet bereits an der nächsten Generation der DPU. Diese integriert KI-basierte Algorithmen, um die Bilddaten künftig im Orbit und in Echtzeit zu klassifizieren. »Unternehmen und Anwendungen aus dem NewSpace brauchen sowohl leistungsfähige und zuverlässige Lösungen als auch schnelle Entwicklungszyklen. Wir kombinieren mit unserern DPUs beides und freuen uns bereits jetzt auf den Einsatz der nächsten Generationen unserer Technologie«, so Clemens Horch, DPU-Projektleiter am Fraunhofer EMI.