Kleine satellieten “made in Belgium” Is de trend in de satellietindustrie vergelijkbaar met deze in de elektronica : is miniaturisatie de toekomst ? Hoewel er wereldwijd activiteiten lopen om steeds kleinere satellieten te bouwen, is de huidige trend voor operationele satellietsystemen eerder in de andere richting. Kleine satellieten worden echter meer en meer toch ingezet voor specifieke applicaties. Verhaert Space en de diensten van het Federaal Wetenschapsbeleid erkenden deze mogelijkheden al in het begin van de jaren negentig. Sindsdien werd er dan ook een gezamenlijke strategie gevolgd om de nodige capaciteiten in België te ontwikkelen. Dit resulteerde in 2001 in de lancering van de eerste Belgische (mini)satelliet. Deze is nog steeds actief en wordt geopereerd vanuit de Belgische Ardennen. Dit jaar volgt de lancering van een tweede satelliet en een derde is onder constructie voor lancering in 2012. Historische evolutie De allereerste satellieten die ooit gemaakt werden waren zeer klein; zo woog de Sputnik 1 amper 84 kg. Ook de eerste wetenschappelijke satellieten in de jaren 70, ontwikkeld door ESA, zoals COS-B (280 kg), Exosat (500 kg), of voor aardobservatie missies zoals Meteosat-1 (720 kg) waren relatief klein. In de jaren 80 werden satellieten groter en groter in lijn met de grotere raketten (heavy lift launcher) die ontwikkeld werden zoals Ariane 4 en Ariane 5. De vooruitgang van de technologie liet toe om vanaf de jaren 90 opnieuw te miniaturiseren.
Momenteel hangt de grootte van een satelliet samen met de missie die beoogd wordt en bestaan kleine en grote satellieten naast elkaar: multi-user missies waarvoor een aantal verschillende instrumenten op één platform samengebracht worden vergen bijvoorbeeld typisch grotere satellieten, terwijl kleine satellieten meer geschikt zijn voor zeer gerichte missies. Toepasbaarheid van kleine satellieten Hoewel er in verschillende universiteiten wereldwijd activiteiten lopen om steeds kleinere satellieten te bouwen, is de huidige trend voor operationele satellietsystemen eerder in de andere richting. Commerciële telecommunicatie satellieten worden groter en groter en ook aardobservatiesatellieten volgen deze trend om steeds hogere resoluties te kunnen bieden. Niet alle applicaties vragen echter zeer hoge resolutiebeelden en deze kunnen perfect opgevangen worden met satellieten die eerder kleiner worden. Voor deze applicaties is de vraag naar kleine satellieten dan ook recentelijk sterk toegenomen. Een belangrijke reden is uiteraard dat, dankzij technologische vooruitgang in het algemeen en miniaturisatie in het bijzonder, veel meer mogelijk is met kleine platformen. Ze bieden bovendien niet enkel het voordeel van een aantrekkelijke prijs, maar ook een kortere levertijd en de mogelijkheid om ze met een aantal tesamen te lanceren en zo een constellatie van satellieten te ontplooien. Uitdaging Vermits elke satelliet zonnecellen gebruikt voor zijn energievoorziening is dit de meest beperkende factor in het verschalen van satellieten. Hoe kleiner de satelliet hoe kleiner de (body-mounted) panelen en dus hoe minder vermogen beschikbaar. Sommige satellieten zoals aardobservatie en wetenschappelijke satellieten hebben bovendien de beperking dat niet alle zijden beschikbaar zijn vermits hier de camera’s, telescopen of andere instrumenten gemonteerd zijn. Het beschikbaar vermogen kan opgevoerd worden door het gebruik van uitklapbare zonnepanelen, maar deze maken de satelliet duurder, complexer en bemoeilijken voor aardobservatiemissies de
stabilisatie nodig om scherpe beelden te maken.
Anderzijds worden zonnecellen wel steeds efficiënter. Moderne zonnecellen voor de ruimtevaart (triple-junction GaInP2/GaAs/Ge cellen) halen efficiënties in de orde van 30%.
Hoewel ook de payloads kleiner werden, zijn er zeker voor optische en microgolf (radar) instrumenten fysische beperkingen omdat deze voldoende licht/ straling moeten collecteren om te kunnen werken. Een laatste uitdaging in de doorbraak van kleine satellieten is de beschikbaarheid van adequate lanceerraketten. Momenteel worden normale (grote) raketten gebruikt waar de kleine satelliet als secundaire passagier meegaat. Dit geeft momenteel de nodige beperkingen (technisch, lanceerdatum, baan, etc.). terwijl de ontwikkeling van kleinere lanceerders nog in de ontwikkelfase zit. Telecommunicatie
Ook andere onderdelen van de satelliet werden beduidend geminiaturiseerd, zoals de zenders, computers, GPS ontvangers, zonnekompassen, gyroscopen, propulsiesystemen enz. Een voorbeeld hiervan is de evolutie van de on-board computer aan boord van de Verhaert satellieten PROBA 1 en PROBA 2. Dit is geïllustreerd in onderstaande figuren.
Binnen de telecommunicatie apparatuur (transponders) werd er ook een sterke reductie van massa, volume en energieverbruik bereikt, door o.a. migratie van analoge naar digitale technologie, door miniaturisatie (MMIC, ASIC), digitalisatie van de modulatie- en frequentie generators, enz. Ook stuurbare antenna’s en spot beams (gerichte bundel) die een hogere radiatiedensiteit bieden en frequency re-use (hergebruik van eenzelfde frequentie binnen een cellulair communcatienetwerk), beam switching (bundelsturing), frequency hopping (het gebruik van een draaggolf samengesteld uit verschillende frequenties om de interferentiegevoeligheid te verlagen) en selecteerbare polarisatie mogelijk maken, hebben een belangrijke optimalisatie veroorzaakt. Desondanks werden telecommunicatiesatellieten eerder groter. Dit heeft verschillende redenen: • Er is een verschuiving naar hogere frequenties die meer vermogen vergen en de nodige componenten (Travelling Wave
tubes) nemen meer plaats en dissiperen meer warmte zodat meer efficiënte warmteafvoer noodzakelijk is. Dit maakt alles groter en zwaarder. • Betere elektronische componenten gaan langer mee in de ruimte omgeving zodat de missieduur verlengd kon worden (typisch 15 jaren nu). Maar dit betekent ook dat er meer brandstof meemoet om de satelliet zo lang op zijn plaats te houden. Dit maakt de satelliet weer zwaarder en groter. Het bovenstaande leidt tot het plaatsen van een zo groot mogelijk aantal transponders (optimalisatie van transponder capaciteit) per satelliet zodat de satelliet zo efficiënt mogelijk gebruikt wordt. Daarom worden telecommunicatiesatellieten in het algemeen groter en groter. De ontwikkeling van steeds krachtiger raketten (bv Ariane 5 upgrades) volgt deze trend.
Aardobservatie Bij de aardobservatie satellieten hebben de miniaturisatie van de elektronische onderdelen een ander gevolg gehad. Kleinere subsystemen betekenen meer plaats en meer vermogen voor de payloads of camera’s. Dit leidde de voorbije jaren tot satellieten met steeds hogere resolutie. Om deze hoge resolutie te halen worden camera’s gebruikt met grote apertuur. Niet alle applicaties vragen echter zeer hoge resolutiebeelden en deze kunnen perfect opgevangen worden met satellieten die eerder kleiner worden. Zodoende bestaan er observatiesatellieten die sterk in grootte verschillen.
Door dezelfde miniaturisatie is er op een klein platform meer ruimte om nuttige ladingen te plaatsen. Bovendien worden deze platformen steeds performanter. Zo verbeterde de computer tussen PROBA1 en PROBA 2 met 1000%. Een ander belangrijk onderdeel is het standregelingssysteem dat er voor zorgt dat ook een klein platform voldoende stabiel is om scherpe beelden te maken en dat toelaat om de satelliet nauwkeurig te richten. GPS Receiver
Head Head
Star Tracker (2)
Magnetomet ers (2)
AOCS Software - Navigation - Guidance - Control
Reaction Wheels (4) Magnetotorquers (4)
die echter pas rond 2015 operationeel zou zijn. PROBA V, die operationeel zal zijn rond 2011-2012, zal de kloof tussen de CNES- en de Sentinel-satellieten overbruggen en de gegevens van de toekomstige Sentinel 3 aanvullen.
Ondanks het feit dat optica zich moeilijk laat miniaturiseren is er toch ook op het vlak van instrumenten een sterke evolutie: • Zo is er de ontwikkeling van ongekoelde infrarooddetectoren waardoor infraroodcamera’s beduidend kleiner worden. • Het elektronisch deel (read-out en geheugen) van de camera is geminiaturiseerd • Nieuwe antenne ontwikkelingen (bv. deployable) en meer efficiënte elektronica maken het mogelijk om bijvoorbeeld SAR (synthetic aperture radar) instrumenten op kleine platformen te plaatsen. Een recent voorbeeld is de ontwikkeling van de PROBA V satelliet missie door Verhaert in opdracht van ESA. Het doel van de PROBA V missie past volledig in het kader van het Global Monitoring for Environment & Security (GMES) programma van de Europese Commissie en de ESA. Vandaag de dag beschikken de SPOT 4 en SPOT 5 aardobservatiekunstmanen, die in 1998 en 2002 gelanceerd werden, elk over één multispectraal Vegetation instrument. Het levert een globaal aardobservatiesysteem met satellietbeelden, dat dagelijks data van het hele aardoppervlak verzamelt en verspreidt naar maar liefst 7 500 eindgebruikers. Het Belgische VITO is de verdeler van deze beelden. De beelden worden gebruikt voor milieu en natuurtoepassingen maar ook voor bv. ruimtelijke ordening en natuur- of milieurampen De Vegetation-waarnemingen zullen met nog krachtigere sensoren worden verdergezet met de ESA-satelliet Sentinel 3,
Aan boord zal deze PROBA V microsatelliet uitgerust worden met een verbeterde Vegetation camera. Het instrument zal met een resolutie van 100 meter kunnen waarnemen in zichtbaar licht en van 200 meter in het nabij infrarood. Om dit te bereiken wordt er in plaats van één grote camera drie aparte kleine telescopen gebruikt waarvan de beelden elektronisch samengesteld worden tot één breedbeeld.
De performantie van de bestaande satelliet van enkele duizenden kilogram met een camera van 150kg zal dus verbeterd worden met een platform van amper 160 kg en een instrument van 25 kg
mogelijkheden van kleine satellieten in het bijzonder in het kader van aardobservatie opnieuw verlegd worden
Bibliografie
Besluit De eerste Belgische satelliet PROBA 1, gelanceerd in 2001, bevestigde het nut van kleine satellieten voor aardobservatie, een sector die de laatste jaren sterk evolueert. Voortschrijdende miniaturisatie van elektronica en optronica leveren kleine satellieten mogelijkheden die vroeger enkel denkbaar waren met grotere satellieten. Met PROBA V zullen de grenzen van de
1. 7th ESA CNES International Workshop on Space Workshop on Space Pyrotechnics, September 3, 2008, E. Villette 2. The Transponder - A Key Element in ESA Spacecraft TTC Systems, A. Winton, J.-L. Gerner, P. Michel, & R. Morgan-Owen, RF Systems Division, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, ESA Bulletin Nr. 86, Published May 1996. 3. EVOLUTION OF SPACE SOLAR CELL AND ARRAY TECHNOLOGY FOR THE NEXT DECADE, Henry W. Brandhorst, Jr. , Space Research Institute, Auburn University, Auburn University, AL 368495320. U.S.A.
