Systems architecture of a modular microsatellite family
Barschke, Merlin F.
Institute of Aeronautics and Astronautics: Scientific Series
In this thesis, the systems architecture of TUBiX20, a modular microsatellite platform family targeting a broad variety of missions in the range of 10 to 50 kilogram launch mass, is investigated. The author analyses the performance requirements for the individual subsystems for such a flexible and scalable platform and develops detailed technical solutions for their implementation taking into account aspects such as failure tolerance. The architecture designed for the platform is based on a central power and data bus system that interconnects a number of computing nodes, which also act as an interface to components such as sensors or actuators. In this way, the interface provided by the individual components is decoupled from the standardised interface of the platform, so that new components can be integrated without major modifications of the platform itself. Furthermore, three exemplary spacecraft utilising the TUBiX20 platform are analysed with respect to the advantages resulting from the selected architecture. TechnoSat and TUBIN were launched into orbit in 2017 and 2021, respectively, while QUEEN is still under development. The experience gained during the realisation of the first two missions resulted in a number of modifications in the platform’s architecture and implementation, which were taken into account for QUEEN.
Die Dissertation untersucht die Systemarchitektur von TUBiX20, einer Mikrosatellitenplattform für ein breites Spektrum von Missionen mit einem Startgewicht zwischen 10 und 50 Kilogramm, welche an der Technischen Universität Berlin entwickelt wurde. Der Autor analysiert zunächst anhand aktueller und zukünftiger Missionen aus verschiedenen Anwendungsgebieten die Leistungsanforderungen an die einzelnen Subsysteme einer solchen Plattform. Basierend auf dieser Analyse wird die Systemarchitektur der Plattform definiert und es werden technische Detaillösungen für die Subsysteme entworfen. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf Aspekten der Fehlertoleranz wie zum Beispiel durch die Implementierung von Redundanzen. Das Systemdesign der Plattform basiert auf einem Netzwerk aus kaltredundant ausgelegten Rechen- und Ansteuerungsknoten, welche über eine einheitliche Schnittstelle mit einem redundanten Daten- und Spannungsversorgungsbussystem verbunden sind. Dabei wird die Redundanz des Datenbusses und aller Knoten im System durch das Energieversorgungssystem gesteuert, welches dazu seinerseits warmredundant implementiert ist. Dieser Ansatz entkoppelt die Schnittstellen der angebundenen Komponenten, wie Sensoren oder Aktuatoren, effektiv von den standardisierten Schnittstellen der Plattform, sodass neue Komponenten eingebunden werden können ohne die Plattform selbst anpassen zu müssen. Zudem verringert eine Reduktion an angeschlossenen Komponenten hier auch effektiv die Komplexität der spezifischen Plattformimplementierung.
Mit TechnoSat und TUBIN wurden bereits zwei Missionen auf Grundlage der TUBiX20-Plattform implementiert und in den Orbit verbracht. Die Erfahrungen aus der Umsetzung dieser Missionen wurden in der Arbeit aufgegriffen und in das Design der Plattformarchitektur eingebracht. Mit QUEEN ist eine weitere Mission beschrieben, welche sich derzeit in der Entwicklung befindet und die beschriebene Weiterentwicklung der Plattform bereits implementiert.
