Fraunhofer On-Board-Prozessor

Der Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) ist eine leistungsfähige und flexibel programmierbare Kommunikationsnutzlast für die digitale Signalverarbeitung an Bord von Satelliten. Der FOBP besteht aus strahlungsharten und somit weltraumtauglichen FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) der neuesten Generation. Diese FPGAs ermöglichen eine vollständige Rekonfiguration des FOBPs von der Erde aus. Das heißt, der Prozessor kann jederzeit an neue Kommunikationsstandards und veränderte Umweltbedingungen im All anpasst werden. Bisher arbeiten Kommunikationssatelliten fast ausschließlich mit transparenten Transpondern, die die Signale von der Erde empfangen, verstärken und wieder zurücksenden. Der Fraunhofer On-Board-Prozessor kann die empfangenen Signale zusätzlich verarbeiten, bevor er sie an Bodenstationen oder andere Satelliten weitersendet (regenerative Nutzlast).

Im Jahr 2020 startet der FOBP im Rahmen der deutschen Heinrich Hertz-Satellitenmission ins All. Die Mission wird vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordiniert und gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und unter Beteiligung des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg).

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Folgende Missionsteile werden vom Fraunhofer IIS durchgeführt:

  • Entwicklung neuer Kommunikationsprotokolle für die direkte Vermittlung am Satelliten
  • Test neuartiger Modulations- und Codierverfahren
  • In-Orbit-Verifikation von Strahlungssensoren (zusammen mit Fraunhofer INT):
    • absorbierte Strahlendosis (UV, EPROM)
    • solare Partikelereignisse (SRAM, BRAM im FPGA)
  • Automatische adaptive SEU (Single Event Upset) Mitigation zur Realisierung der optimalen Redundanz im FPGA, angepasst an die Strahlungsbedingungen im Weltraum
  • In-Orbit-Verifikation der HallinOne®-Technologie zur berührungslosen Messung der Stromaufnahme der FPGAs

Neue Wege in der Satellitenkommunikation

Im Rahmen der Heinrich Hertz-Mission koordiniert das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Entwicklung und den Betrieb eines deutschen Kommunikationssatelliten. Die Mission hat das vorrangige Ziel, neue Technologien für die Satellitenkommunikation im Weltraum zu testen.

Die Heinrich Hertz-Mission dient dazu, neuartige Modulationen und Kodierungen zu testen und ihre Verarbeitungsfähigkeit auf dem Satelliten zu überprüfen. Daneben sollen auch Verfahren im Bereich On-Board-Switching sowie IP über Satellit experimentell untersucht werden. Wissenschaftsinstitute und die Industrie erhalten darüber hinaus die Gelegenheit, wissenschaftlich-technische Kommunikationsexperimente durchzuführen. Die Antennen, die sich am Satelliten befinden, sind unter anderem eine Empfangsantenne mit 30 GHz und eine Sendeantenne mit 20 GHz. Mit Hilfe dieser Antennen ist eine breitbandige Kommunikation zu festen Terminals genauso wie zu mobilen Endgeräten realisierbar. Dazu müssen sowohl für den Einsatz auf dem Satelliten als auch auf dem Boden die entsprechenden Technologien entwickelt und integriert werden.

Im Gegensatz zu den konventionell eingesetzten transparenten Transpondern geht das Fraunhofer IIS mit seinem rekonfigurierbaren On-Board-Prozessor einen bisher noch nicht erschlossenen Weg im Bereich der Satellitenkommunikation. Eines der Ziele ist die Entwicklung neuer Kommunikationsprotokolle zur direkten Übermittlung des Sendesignals an den Satelliten und von dort an den Empfänger, womit die Signalverarbeitung an einer Bodenstation nicht mehr stattfinden muss (Single-Hop-Vermittlung).

Höchste Flexibilität für zukünftige Kommunikationsstandards

Die für den Fraunhofer On-Board-Prozessor eingesetzten FPGAs ermöglichen eine Rekonfiguration der Hardwarearchitektur, was eine maximale Flexibilität in unterschiedlichen Anwendungsgebieten auch während der Laufzeit gewährleistet. Dies eröffnet die Option zukünftige Entwicklungen für Übertragungsverfahren zu implementieren. Durch das Hochladen von Konfigurationsdateien kann die komplette digitale Signalverarbeitung umkonfiguriert werden. Dank der Nutzung von Transponderbreiten bis 450 MHz ist der FOBP für neue Kommunikationsstandards flexibel einsetzbar:

  • Zwei strahlungsharte und von der Erde aus rekonfigurierbare FPGAs auf dem neuesten Stand der Technik bilden die Basis der Hardwarearchitektur und gewährleisten maximale Flexibilität für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete.
  • Strahlungsharte High-speed ADCs und DACs ermöglichen ein direktes Abtasten der L-Band Zwischenfrequenz bei einem optimalen Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
  • Aufgrund hoher zur Verfügung stehender Bandbreiten werden hohe Datenraten für eine breitbandige Kommunikation zu festen Terminals sowie zu mobilen Endgeräten gewährleistet.

Zusätzlich wird eine Fehlerkorrektur vorgenommen, welche sich positiv auf die Leistung und die Datenrate auswirkt. Des Weiteren findet auf dem OBP eine In-Orbit-Verifikation von Strahlungssensoren zur Messung der absorbierten Strahlendosis (UV, EPROM) und zur Detektion solarer Partikelereignisse (SRAM, BRAM im FPGA) statt.

FOBP Gesamtbox
© Fraunhofer IIS/Alexander Hofmann

Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) - im Orbit rekonfigurierbar

Blockschaltbild der On-Board Prozessor-Plattform
© Fraunhofer IIS/Robért Glein

Blockschaltbild der On-Board-Prozessor-Plattform

Fraunhofer Nutzlastanteil auf dem Heinrich Hertz-Satelliten
© Fraunhofer IIS/Karlheinz Kirsch

Fraunhofer Nutzlastanteil auf dem Heinrich Hertz-Satelliten

On-Board-Prozessor ermöglicht neue Anwendungen

Der Fraunhofer On-Board-Prozessor ist für den Einsatz auf dem geostationären Satelliten „Heinrich Hertz“ vorgesehen, der für eine Nutzungsdauer von 15 Jahren ausgelegt ist. Der FOBP unterstützt dabei die folgenden Anwendungen:

  • Satellitenkommunikation für nomadische und mobile Nutzer mit Rückkanal
  • Rekonfiguration der Nutzlast von der Erde aus
  • Strahlungsmessung durch Sensoren für solare Partikel und Total Ionizing Dose (TID)
  • Adaptive Anpassung der FPGA-Firmware an die aktuelle solare Strahlungsumgebung
  • Single-Hop-Verbindung über IP (Internet Protokoll)
  • Flexible Anpassung an bestehende Systeme aufgrund digital skalierbarer Bandbreiten, von Breitband- bis hin zu Schmalbandanwendungen, z. B. für Sensordaten (Leistungszähler)

Fraunhofer IIS – Kompetenzen im Bereich Satellitenkommunikation

Basierend auf unseren Erfahrungen mit der Entwicklung von Schaltungen für die Raumfahrt bieten wir Ihnen die Möglichkeit, Hochfrequenz- und Signalverarbeitungskomponenten nach Ihren Anforderungen zu realisieren. Außerdem unterstützen wir Sie beim Systemdesign. Gemeinsam mit Ihnen und auf der Basis von fundierten wissenschaftlichen Methoden ermitteln wir Ihren Bedarf, beraten Sie individuell und unterstützen Sie zusätzlich bei technisch-wirtschaftlichen Machbarkeitsanalysen. Darüber hinaus gewährleistet eine umfangreiche Ausstattung mit hochwertigen Messgeräten, spezifischen Testfeldern und -räumen, inklusive einer Testhalle, eine professionelle Verifikation im Feldtest und im Laborumfeld.

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