Genug Strom für Nano-Satelliten

Nano-Satelliten sind ungefähr so groß wie ein Schuhkarton, hoch­technisiert und bald zu Zehntausenden in der Erdumlaufbahn unterwegs. Diese können zum Beispiel hochauflösende Fotos unseres Planeten schießen oder Tele­kommunikations-Netzwerke verstärken. Das kostet jedoch Energie und diese Ressource ist bei den kompakten Hightech-Geräten knapp. Informatiker der Universität des Saarlandes zeigen, wie der Energie­verbrauch von Satelliten so geplant werden kann, dass sie stets optimal arbeiten, ohne ihre Batterien jemals zu überlasten. Die Ergebnisse sind auch auf andere Anwendungen übertragbar.

„Kern unserer aktuellen Arbeit ist ein Scheduler, also ein Ablauf-Planer“, erklärt Holger Hermanns, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes. Damit lassen sich die zahlreichen unter­schiedlichen Aktivitäten, die moderne Nano-Satelliten durchführen können, konti­nuierlich vorausplanen und mit Blick auf den Energieverbrauch optimieren. Außergewöhnlich ist dabei das Batterie-Modell, das dem Planungs­verfahren der Forscher zugrunde liegt: „Wir beziehen uns nicht auf das gewöhnliche, lineare Modell, gemäß dessen die Batterieladung einfach als Wert zwischen hundert und null Prozent dargestellt wird“, so der Informatiker Hermanns. „Unser Ablauf-Planer stützt sich auf das kinetische Batterie-Modell, mit dem auch Ladungs­schwankungen, die jeder Batterie zu eigen sind, präzise einberechnet werden können.“

Das neue Verfahren zur Steuerung von Satelliten lässt so auch langfristige Aktivitäts­planungen zu und skaliert reibungslos auf ganze Satelliten-Flotten. Ihr neues Planungs­verfahren haben die Forscher anhand zweier Satelliten des Typs GOMX-4 der dänisch-luxem­burgischen Firma GOMspace entwickelt. Jedes Mal, wenn die Satelliten die Bodenstation in Dänemark überfliegen, senden diese die Telemetrie-Daten ihrer Batterie­nutzung hinunter. Auf Grundlage dieser Daten wird dort mithilfe des Planungs­modells ein neuer Aktionsplan errechnet und dann auf die Satelliten hochgeladen. „Indem wir den Plan bei jedem Überflug über die Bodenstation erneuern, stellen wir sicher, dass stets die best­mögliche Batterie­nutzung gewährleistet wird“, erklärt Hermanns.

Diese Ergebnisse könnten auf großes Interesse stoßen. Denn der Markt für LEO (low-earth orbit) Satelliten wächst rasant: Heutzutage kreisen etwa 2500 aktive Kleinst-Satelliten in erdnaher Umlaufbahn um unseren Planeten, aber für die kommenden zehn Jahren sind bereits Starts für rund 50.000 weitere angekündigt. Das neuartige Planungs­modell für Batterie­nutzung geht jedoch darüber hinaus und kann auch auf andere Anwendungs­bereiche übertragen werden, beispiels­weise E-Mobilität, Drohnen oder Smart-Home-Geräte.

U. Saarland / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Stock et al.: Managing Fleets of LEO Satellites: Nonlinear, Optimal, Efficient, Scalable, Usable, and Robust, IEEE Trans. Comp. Aid. Des. Int. Circ. Sys. 39, 3762 (2020) DOI: 10.1109/TCAD.2020.3012751
• Dependable Systems and Software (H. Herrmanns), Universität des Saarlandes, Saarbrücken