Grizu-263A

Hintergrund

Grizu-263A wurde vom Grizu-263 Space Team der Zonguldak Bülent Ecevit Universität (ZBEÜ) entwickelt, einem 2016 gegründeten Studierendenteam, dessen frühere Arbeiten sich auf Wettbewerbe der CanSat-Klasse konzentrierten. Das Team und der Satellit sind nach den 263 Bergleuten benannt, die am 3. März 1992 bei der Schlagwetterexplosion im Steinkohlenbergwerk Kozlu in Zonguldak ums Leben kamen[1]. Die Arbeiten an einer modularen PocketQube-Plattform begannen Ende 2018; nach rund zweijähriger Entwicklungszeit wurde das Flugmodell im Oktober 2020 an den Startdienstleister übergeben[2]. Grizu-263A war der erste PocketQube aus der Türkei; als zweiter folgte 2023 der 1P-Satellit Connecta T2.1 (Istanbul) von Hello Space.

Missionsziele

Die Mission war als Technologiedemonstration mit einem Dienst im Amateurfunksatellitenfunk ausgelegt. Ihre vier Kernziele lauteten[1]:

1. Entwurf, Bau und Betrieb eines Raumfahrzeugs, das sämtliche Grundfunktionen eines Satelliten innerhalb einer 1P-Hüllkontur erfüllt;
2. Nachweis eines modularen Kernbusses, an den zukünftige Nutzlasten ohne Änderung der Kernsubsysteme angebunden werden können;
3. Charakterisierung des Verhaltens der passiven magnetischen Lageregelung im Orbit sowie des Wirkungsgrads des Energiesystems anhand von IMU-, Strom- und Spannungstelemetrie;
4. Bereitstellung offen dekodierbarer Telemetrie, von Möglichkeiten zur Doppler-Beobachtung sowie eines Digipeaters zur Weiterleitung kurzer vom Boden gesendeter Nachrichten für Funkamateure weltweit.

Der Uplink wurde bewusst schlank gehalten: Neben Digipeater-Nachrichten akzeptierte der Satellit lediglich ein Kommando zur Änderung des Telemetrieintervalls sowie den im Amateurfunksatellitendienst vorgeschriebenen Befehl zur Senderabschaltung.

Ergebnisse im Überblick

Grizu-263A hob am 13. Januar 2022 auf der Rideshare-Mission SpaceX Transporter-3 ab und blieb bis zu seinem Wiedereintritt am 3. Oktober 2023 in Betrieb: 628 Tage bzw. rund 9500 Erdumläufe – weit über das ursprünglich angestrebte eine Betriebsjahr hinaus. Sein primäres Kommunikationsziel wurde voll erreicht, wobei Stationen auf der ganzen Welt Telemetrie empfingen und teilten; beide Downlink-Modi wurden noch zwischen dem 29. September und dem 1. Oktober 2023, wenige Tage vor dem Verglühen, in mehreren Ländern empfangen[1].

Architektur

Gehäusefest montierte Solarpaneele auf fünf Seitenflächen speisen das elektrische Energiesystem (EPS), das den Akkumulator sowie sieben Strom- und Busspannungswächter vom Typ INA beherbergt: einen in der Versorgungsleitung vom EPS zum Bordcomputer, einen auf dem Hauptbus und je einen pro Solarpanel. Der Bordcomputer (OBC) formatiert die Telemetrie dieser Messstellen, einer Dreiachsen-IMU und eines Temperatursensors und betreibt den Digipeater. Das Funkmodul sendet mit 4800 Bd oder 2400 Bd über einen entfaltbaren Viertelwellen-Monopol. Bricht die Kommunikation zwischen Funkmodul und Bordcomputer ab, meldet das Funkmodul direkt einen Fehlercode an das Energiesystem, sodass die Störung auch ohne Beteiligung des Bordcomputers abgefangen werden kann[1].

flowchart TB
  SP["Solarpaneele auf fünf Seitenflächen"] --> EPS["EPS: Batterie, 7 Strom- und Spannungswächter"]
  EPS --> OBC["Bordcomputer: Telemetrie, Digipeater"]
  EPS --> COMM["COMM: 2-FSK, 4800 und 2400 Bd"]
  EPS --> SENS["IMU, Temperatursensor"]
  SENS --> OBC
  OBC <--> COMM
  COMM -. "Fehlercode bei Ausfall der OBC-Verbindung" .-> EPS
  COMM --> ANT["Entfaltbarer Monopol"]
  ANT --> GS["ZBEÜ-Bodenstation und SatNOGS"]
  PMAC["PMAC: 4 AlNiCo-5-Magnete, 12 HyMu-80-Stäbe, leistungsfrei"]

Energieversorgung

Die zur Frequenzkoordinierung eingereichte Leistungsbilanz weist eine mittlere Erzeugung von 0,75 W und eine mittlere aktive Leistungsaufnahme von 1,5 W aus, sodass der verbrauchsintensive Sendemodus getaktet betrieben wurde und die Batterie sowohl Schattenphasen als auch Sendepulse überbrückte. Der Erzeugungswert deckt sich mit dem nach Gleichung 1 der Übersichtsarbeit ohne Schattenfaktor berechneten Mittelwert in der Sonne von 0,71–0,86 W für fünf bis sechs bestückte Würfelseiten, was einem Umlaufmittel von 0,46–0,55 W entspricht[1].

Passive magnetische Lageregelung

Vier AlNiCo-5-Würfel mit 8 mm Kantenlänge richten eine Hauptachse nach dem Erdmagnetfeld aus, während zwölf HyMu-80-Stäbe der Abmessung 0,2 × 0,2 × 33,5 mm die Rotationsbewegung dämpfen; die Dynamik vor dem Flug wurde mit dem Smart Nanosatellite Attitude Propagator simuliert. Die Übersichtsarbeit schätzt das magnetische Dipolmoment anhand der AlNiCo-Entmagnetisierungskurve auf 0,31 A·m² für isolierte Einzelwürfel bzw. 0,91 A·m² für eine gestapelte Säule ab und leitet daraus die Drehmomentbilanz her[1]:

Der Permanentmagnet überdimensioniert das rückstellende Moment um mehr als eine Größenordnung; rund 0,02 A·m² hätten bereits eine zehnfache Reserve gegenüber den Störmomenten geboten. Bei einem derart starken Dipolmoment und Abständen zwischen Magnet und Hysteresestäben von maximal 20 mm übersteigt das Streufeld entlang der Stäbe das Erdmagnetfeld, sofern die Stäbe nicht auf den Bruchteil eines Millimeters genau in der Mittelebene des Magneten liegen, und das Magnetometer der IMU misst einen konstanten Offset von mehreren Millitesla, sofern es nicht weit entfernt von den Magneten platziert ist. Der Eintrag zu PMAC erläutert beide Kopplungseffekte im Detail.

Funkstrecke

Der Downlink nutzte die koordinierte EIRP von 20 dBm. Gegenüber einer Richtantennen- und einer Rundstrahl-Amateurfunkstation ergibt sich folgende Übertragungsbilanz[1]:

• Richtantenne, 4800 Bd
• Richtantenne, 2400 Bd
• Rundstrahlantenne, 4800 Bd
• Rundstrahlantenne, 2400 Bd

Daten als Tabelle anzeigen

Elevation (°)	Richtantenne, 4800 Bd	Richtantenne, 2400 Bd	Rundstrahlantenne, 4800 Bd	Rundstrahlantenne, 2400 Bd
5	−2,4	0,7	−14,9	−11,9
10	−0,7	2,4	−13,2	−10,2
15	0,9	4,0	−11,6	−8,6
20	2,3	5,4	−10,2	−7,2
30	4,7	7,7	−7,9	−4,8
45	7,1	10,2	−5,4	−2,4
60	8,7	11,7	−3,9	−0,8
75	9,6	12,6	−3,0	0,0
90	9,8	12,9	−2,7	0,3

Bei 4800 Bd erforderte eine erfolgreiche Dekodierung eine Richtantenne oberhalb von rund 12° Elevation und war mit der Rundstrahlstation zu keinem Zeitpunkt möglich; der 2400-Bd-Modus brachte 3 dB Gewinn und erreichte Richtstationen bis hinab zu 3° Elevation sowie Rundstrahlstationen nahe dem Zenit. Diese knappen Reserven decken sich mit der Beobachtung aus der frühen Missionsphase, dass zahlreichen Netzwerkaufzeichnungen das für eine Rahmendekodierung nötige Signal-Rausch-Verhältnis fehlte.

Telemetrie

Jeder Datenrahmen enthielt 31 Felder: Kennung und Bordzeit (7), Temperatur (1), Ströme und Spannungen (14) sowie IMU-Messwerte (9), wobei alle 10 s fünf Rahmen ausgesendet wurden. Sämtliche Rahmenformate wurden unverschlüsselt offengelegt, und ein in Kaitai Struct geschriebener Decoder[3] in der SatNOGS-Datenbank schlüsselte die Felder automatisch auf[4].

Montage, Integration und Test (AIT)

Die Entwicklung folgte einer strikten Test-as-you-fly-Sequenz aus Labor-, Ingenieurmodell-, Thermalvakuum- und Vibrationstests. Das Flugmodell durchlief am 21. September 2020 im Labor für Schwingungs- und Akustiktechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Istanbul (İTÜ) seine Protoqualifikations-Vibrationsprüfung im Inneren seines Flug-Deployers: Resonanzsuchen und Rauschvibrationen (Random Vibration) entlang aller drei Raumachsen wurden ohne Befund bestanden. Im Oktober 2020 wurde der Satellit in einen AlbaPod integriert und sein Trennschalter für den Flug scharfgeschaltet[1].

Start und früher Orbitbetrieb (LEOP)

Der Start verschob sich von einem ursprünglichen Zeitfenster zum Jahreswechsel 2020/2021 auf den 13. Januar 2022, als Transporter-3 um 15:25 UTC von Cape Canaveral abhob – zusammen mit weiteren PocketQubes wie Delfi-PQ, HADES, EASAT-2, SATLLA-2A/2B, Unicorn-1 und Unicorn-2A/2D[5]. Die Bodenstation der ZBEÜ empfing am 14. Januar die ersten Signale. Noch bevor offizielle Katalognummern vergeben waren, verfolgte die SatNOGS-Gemeinschaft den Satelliten unter der vorläufigen Kennung 99488; die ersten Community-Decoder gingen zunächst von einer anderen Leitungscodierung aus und schlugen fehl, bis der Rahmenaufbau geklärt war, woraufhin am 19. Januar 2022 die ersten Rahmen fehlerfrei dekodiert wurden. Kurz darauf erhielt der Satellit die NORAD-Katalognummer 51025[1].

Bahnabstieg: Vorhersage und tatsächlicher Verlauf

Das Team hatte vor dem Start mit rund vier Jahren Verweildauer im Orbit gerechnet; tatsächlich trat Grizu-263A nach 21 Monaten wieder in die Atmosphäre ein. Die Übersichtsarbeit rekonstruiert den Bahnabstieg aus einer Kreisbahn in 525 km Höhe mithilfe des Atmosphärendichtemodells nach Kennewell, gespeist mit den beobachteten Monatsmitteln des solaren Strahlungsflusses $F_{10.7}$[6] (im Missionsmittel 141 sfu) und einem konstanten geomagnetischen Index $A_p=12$[1]:

Mit den a priori angesetzten ballistischen Parametern sagt das Modell 845, 774 und 666 Tage voraus – also 6–35 % länger als beobachtet, was innerhalb der Genauigkeitsgrenzen eines Modells mit einfacher Skalenhöhe und der Unsicherheit der Anfangsbahn liegt: Eine Abweichung der Anfangshöhe um ±10 km verschiebt die Vorhersage zwischen 669 und 885 Tage, während eine Variation von $A_p$ zwischen 6 und 18 das Ergebnis um weniger als ±5 % verändert. Mit dem aus dem realen Abstieg bestimmten effektiven Parameter $B_{\mathrm{eff}}\approx 0,050{\text{ m}}^2\text{/kg}$ und einem konstanten Fluss von 100 sfu liefert das Modell 3,4 Jahre – nahe an der Erwartung vor dem Start. Die Diskrepanz zwischen Prognose und tatsächlicher Lebensdauer ist somit überwiegend solarbedingt: Der solare Strahlungsfluss lag rund 40 % über dem Niveau, das der Vierjahresprognose entsprochen hätte, da der 25. Sonnenzyklus deutlich steiler anstieg als in der Vorhersage von 2019 angenommen[7] und sein Maximum früher sowie kräftiger erreichte, wie die NOAA 2023 offiziell bestätigte[8].

Gewonnene Erkenntnisse (Lessons Learned)

Die vollständige Fallstudie samt Abbildungen und der detaillierten Rekonstruktion des Bahnabstiegs findet sich in der PocketQube-Übersichtsarbeit.