Es gibt viele Dinge zu bestaunen, wenn man an die Internationale Raumstation (ISS) denkt. Sie ist ununterbrochen in Betrieb, seit sie 1998 in den Orbit gebracht wurde. Es brachte mehrere Länder zu einem gemeinsamen Engagement für die Weltraumforschung zusammen. Die Bedingungen in der Station bleiben stabil, obwohl sie in der rauesten Umgebung eingesetzt wird, die der Menschheit bekannt ist.
Und es ist wahrscheinlich die komplizierteste Maschine, die die Menschheit je gebaut hat, vor allem, wenn man bedenkt, dass die einzelnen Module erst nach ihrem Start im Weltraum selbst zusammengesetzt wurden, ohne dass sie zuvor auf der Erde miteinander integriert worden waren. Das Gleiche gilt für die neuen Systeme und Plattformen, die zur ISS geschickt werden, um Funktionen hinzuzufügen, technologische Updates zu integrieren und neue Fähigkeiten hinzuzufügen, da die ISS nicht gerade aus dem Orbit geholt werden kann.
Aufrechterhaltung der Kommunikationsverbindungen
Im Juni 2018 machte sich eine neue Mission auf den Weg zur ISS. Im Rahmen dieser Versorgungsmission wurde ein Air Transport Rack (ATR), das die OpenVPX-Architektur verwendet, in das Kommunikationsmodul geladen. Das von Elma Electronic entworfene und hergestellte OpenVPX-System wurde als Teil des „Broadband Communication System User Terminal“ im Kommunikationsdienstmodul der ISS installiert. (Abbildung 1)
ATR ist seit vielen Jahren ein bewährter Formfaktor und eine erste Wahl für robuste Computersysteme in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Insbesondere in dieser Branche erzeugen Manöver des Flugzeugs enorme Kräfte, denen ein „einfaches“ Computergehäuse einfach nicht standhalten würde. Ein ATR ist besonders widerstandsfähig gegenüber starken Stößen und Vibrationen und verbiegt sich daher nicht so stark wie andere Gehäuse. Es kann auch stärkere Stöße überstehen, wie z. B. eine besonders harte Landung.
Für diese Implementierung bildet das ATR das Gehäuse, das dann eine Computereinheit mit OpenVPX-Architektur umhüllt. Als das System im Weltraum in Betrieb genommen wurde, ermöglichte es eine „nahezu permanente“ Verbindung der ISS mit der Bodenkontrolle.
Beseitigung von Lücken in der Datenübertragung
Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der stetig steigenden Datenmengen zur und von der ISS muss die Verbindung fast permanent umgeleitet werden, je nachdem, welche Satelliten zum jeweiligen Zeitpunkt die beste Übertragungsroute bieten. Kommunikationssatelliten — in diesem Fall über das als Relais eingesetzte GEO-Satellitennetzwerk „Luch“ — sind die Lösung. Diese GEO-Relais-Satelliten wurden ursprünglich für die Kommunikation zwischen der Raumstation Mir und dem Raumgleiter Buran entwickelt. Sie sind eine Reihe von Kommunikationssatelliten, die Signale zwischen Raumfahrzeugen (wie der ISS) und der Erde übertragen.
„Da die ISS nur etwa 90 Minuten benötigt, um die Welt zu umkreisen, würde die Raumstation ein Gebiet der Erde durchqueren, das nicht von Bodenempfangssystemen abgedeckt ist, und die Verbindung würde jedes Mal unterbrochen“, erklärt Vitali Siris von der Elma Electronic GmbH, der die Entwicklung dieses OpenVPX-basierten Systems beaufsichtigte. „Wir haben mit einem System, das auf einer bewährten offenen Standardarchitektur in einem robusten Gehäuse basiert, eine zuverlässigere Kommunikationsinfrastruktur aufgebaut.“ (Abbildung 2)
Das OpenVPX-basierte System übernimmt das Routing der Signale und ermöglicht Datendurchsätze mit einer Uplink-Geschwindigkeit von bis zu 100 Mbit/s und einer Download-Geschwindigkeit von 6 bis 8 Mbit/s. Das System stellt den Hardwareteil einer Multiplexer/Demultiplexer Modem (MDM) -Einheit dar. Das MDM ist für die Erfassung, Speicherung und Übertragung der Ergebnisse von Experimenten an Bord verantwortlich.
Das Gerät umfasst unter anderem ein Modem, DVB-S2 (für Satellitensignale), PAL (phasenwechselnde Leitung, also ein analoges Videosignal) und HD-Videoeingänge und -ausgänge. Die seriellen Schnittstellenkarten des MDM entsprechen MIL-STD-810F und garantieren somit die erforderliche Schock- und Vibrationsfestigkeit.
„Resistenz gegen Umwelteinflüsse ist notwendig“, fährt Siris fort. „Während die Technologie in der ISS selbst von konstanten klimatischen Bedingungen von 20 bis 22 °C und einer gleichbleibenden Luftfeuchtigkeit profitiert, muss die Elektronik Kräften standhalten können, die bis zu vierzigmal so hoch sind wie die Gravitationsbeschleunigung beim Raketenstart.“
Umgang mit Kühl- und anderen Designelementen
Das Thema Kühlung ist immer ein besonders sensibles Thema bei eingebetteten Systemen, die in rauen und abgelegenen Umgebungen eingesetzt werden, für die der Weltraum der Inbegriff ist. Das System für die ISS wird mit der Methode der Zwangsluftkühlung gekühlt. Die Prozessorkarte, Grafikkarte oder Speicherkarte sind über einen speziellen Mechanismus mit der Seitenwand verbunden. Die Seitenwände des ATR sind mit Lamellen ausgestattet, die nach außen zeigen und Wärme abführen, wenn die Luft durch das System gedrückt wird.
Obwohl die robusten Karten aktiv gekühlt werden (passive Kühlung ist Kühlung ohne Lüfter, auch Konduktion genannt), arbeiten die Lüfter direkt außerhalb des Gehäuses. Diese praktische Lösung schützt auch das Innere des Systems vor Staub und verhindert mögliche Transportschäden. Gleichzeitig spart die Kühlvariante Platz, ohne die Multifunktionalität des Systems zu beeinträchtigen. (Erfahren Sie mehr über Elmas Kompetenzen in der Weltraumelektronik)
Tiefer in die Kommunikation eintauchen
Mit zunehmender Netzwerkdichte und Funktionalität der ISS werden sich moderne Methoden zur Bewältigung der wachsenden Systemanforderungen weiterentwickeln. Aufbauend auf dem Erfolg des auf OpenVPX basierenden ATR-Systems ist geplant, ein weiteres, ähnliches System für ein zukünftiges Modul zu entwickeln.
