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5GSatOpt

Arbeitsgruppe:AG Optimierung und Optimale Steuerung
Leitung: Dr. Matthias Knauer ((0421) 218-63863, E-Mail: knauer@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Dr. Matthias Knauer ((0421) 218-63863, E-Mail: knauer@math.uni-bremen.de)
Projektförderung: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Projektpartner: OHB System AG
ZARM Technik GmbH
DSI Aerospace Technologie GmbH
Arbeitsbereich Nachrichtentechnik (ANT), Universität Bremen
ZARM, Universität Bremen
Laufzeit: 01.05.2019 - 31.08.2020
Bild des Projekts 5GSatOpt Die Raumfahrt befindet sich derzeit politisch, wirtschaftlich und technologisch im Wandel. Waren Technologieentwicklungen, Missionsplanungen oder die Operation von Weltraummissionen ursprünglich staatlich initiiert und dominiert, so werden der Weltraumzugang und orbitale Anwendungen zukünftig deutlich privatwirtschaftlicher organisiert und von völlig neuen tech- nologischen Ansätzen, Anwendungen und Geschäftsmodellen geprägt sein. Vor allem Unternehmen aus dem nordamerikanischen Raum wie SpaceX, OneWeb und TeleSat, aber zunehmend auch Start-Ups im europäischen Raum im Umfeld der Universitäten wie Berlin Space Technologie, German Orbitel Systems oder das Zentrum für Telematik e.V. haben diese neue Ära unter dem Begriff „NewSpace Revolution (NSR)“ eingeläutet.
Eine Kerntechnologie dieser neuen Ära sind kleine Satelliten („Small Satellites“), weswegen häufig von dem Begriff der „NewSpace/Small Sats Arena“ gesprochen wird. Die Bezeichnung „Small Satellites“ bezeichnet leichte, vor allem günstige und schnell verfügbare Satelliten, die in größeren gut skalierbaren Konstellationen bzw. Schwärmen spezifische Aufgaben für verschiedenste Anwendungen kooperativ wie ein im Raum verteiltes großes System durchführen können. Im Gegensatz zu einem großen, schweren und teuren Satelliten des „Old Space“ variiert das Volumen eines Kleinsatelliten von lediglich ein bis einigen Liter bzw. das Gewicht von 1 kg bis zu 500 kg. Zudem belaufen sich die typischen Kosten von Kleinsatelliten für Herstellung und Launch zusammen im Bereich von 100T Euro oder weniger.
Die wesentlichen drei Anwendungsbereiche bzw. Märkte, die NewSpace durch Konstellationen von Kleinsatelliten adressiert, sind Kommunikation, Erdbeobachtung sowie Wissenschaft/Technologie. Insbesondere dem Anwendungsbereich Kommunikation wird zukünftig eine hohe Bedeutung und damit ein großer Marktanteil des NewSpace zugeordnet. Aus wirtschaftlicher Sicht wird dem Markt der „Small Satellites“ bis zum Jahr 2022 ein Wachstum auf 2,2 Mrd US$ und bis 2026 sogar auf 30 Mrd US$ für Herstellung und Launch vorausgesagt. Wesentlicher Grund hierfür ist die Vision der Digitalisierung der Gesellschaft und die damit notwendige Entwicklung des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) oder, weiterführend gedacht, eines allgegenwärtigen und überall verfügbaren Internets („Internet of Everything and Everywhere“, IoEE).
Parallel zu der NewSpace Evolution der Raumfahrt findet derzeit auch bei den terrestrischen Kommunikationssystemen mit der Entwicklung der 5-ten Mobilfunkgeneration (5G) ein Paradigmenwechsel statt – im Kern steht nicht mehr nur die Breitbandanbindung, sondern die Kommunikation zwischen Maschinen bzw. Dingen. Getrieben von der Vision der Digitalisierung wird 5G die Kommunikationsinfrastruktur des IoEE einer zukünftigen Gesellschaft sein. Erst durch 5G werden Technologien bereitgestellt, die zur Umsetzung von Anwendungen wie autonomes Fahren, digitale Industrie, digitale Landwirtschaft und digitale Logistik erforderlich sind. Für zahlreiche dieser Anwendungen ist eine zuverlässige und flächendeckende Versorgung absolut notwendig. Erfahrungen mit dem Ausbau vorangegangener Mobilfunkstandards (3G, 4G) zeigen jedoch, dass dies durch rein terrestrische Kommunikationssysteme nicht erreicht werden kann.
In Folge dessen sind weltweit sowohl politische und wirtschaftliche Aktivitäten als auch Forschung und Entwicklung begonnen worden, welche die Zusammenführung von 5G mit NewSpace zu einem 5G-NewSpace als integralen Bestandteil adressieren (siehe OneWeb, SpaceX, ESA-Program ARTES, 3GPP, 5GPPP).
Dieses Momentum der Forschung und Entwicklung des 5G-NewSpace greift das hier vorgeschlagene Projekt auf und behandelt die Integration von Satellitenkonstellationen kleiner Satelliten mit 5G. Zu beachten ist, dass der Zugang über Satelliten zu 5G durch das 5G-Standardisierungsforum 3GPP zwar bereits beschlossen wurde, welche Technologien jedoch für die Kommunikation zwischen der Erde und den Satelliten oder zwischen den Satelliten im Orbit zum Einsatz kommen sollen, ist bisher noch nicht spezifiziert worden. Dieses noch offene Zeitfenster gilt es für Firmen in Kooperation mit der Wissenschaft zu nutzen, um sich mit Hilfe von Forschung und Entwicklung innovativer Raumfahrttechnologien langfristig Vorteile im Markt des 5G-NewSpace zu sichern.
Hierfür ist die Entwicklung einer Simulationsplattform zur Konzeptionierung, Optimierung und Evaluierung derartiger innovativer Raumfahrttechnologien eine erste und notwendige Forschungs- und Entwicklungsaktivität. Vorhanden ist derzeit eine Simulationsplattform beim ZARM für die Analyse eines einzelnen Satelliten mit klassischen Kommunikationstechnologien (High Performance Satellite Dynamics Simulator, HPS). Somit gilt es, diese Plattform zu einer Simulationsplattform für Schwärme von 5G-Kommunikationssatelliten weiterzuentwickeln.

EFRE Bremen