Diese Aktionen verbrauchen jedoch Energie, und diese Ressource ist in kompakten Hightech-Geräten knapp. Informatiker der Universität des Saarlandes haben nun gezeigt, wie der Energieverbrauch von Satelliten so geplant werden kann, dass sie stets optimal arbeiten, ohne dass ihnen die Batterien ausgehen. Die Ergebnisse lassen sich auf andere Anwendungsbereiche übertragen.

„Kern unserer aktuellen Arbeit ist der sogenannte ‚Planer‘“, erklärt Holger Hermanns, Professor für Informatik an der Universität des Saarlandes. Dieser Planer ermöglicht es, die zahlreichen verschiedenen Aktivitäten, die moderne Nanosatelliten ausführen können, kontinuierlich im Voraus zu planen und hinsichtlich ihres Energieverbrauchsprofils zu optimieren.

Besonders hervorzuheben ist das Batteriemodell, auf dem die Planungsmethode der Saarbrückener Forscher basiert: „Wir verwenden nicht das üblicherweise genutzte lineare Modell, in dem der Ladezustand der Batterie einfach als Wert zwischen 100 und 0 Prozent dargestellt wird“, so Hermanns. „Unser Planer nutzt das kinetische Modell der Batterie, das auch die in jeder Batterie vorhandenen Ladeschwankungen präzise berücksichtigt.“ Die neue Methode des Satellitenbetriebs ermöglicht somit eine langfristige Aktivitätsplanung und ist nahtlos auf ganze Satellitenflotten übertragbar.

Die Forscher entwickelten ihr neues Aktivitätsplanungstool mithilfe zweier GOMX-4-Satelliten des dänisch-luxemburgischen Unternehmens GOMspace. Bei jedem Überflug der Satelliten über die Bodenstation in Dänemark senden sie Telemetriedaten zu ihrem Batterieverbrauch. Basierend auf diesen Daten wird mithilfe des neuartigen Schedulers ein neuer Aktionsplan berechnet und anschließend auf die Satelliten übertragen. „Durch die Optimierung des Plans bei jedem Überflug der Satelliten über die Bodenstation gewährleisten wir stets die bestmögliche Batterienutzung“, erklärt Hermanns.

Der Markt für sogenannte LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) wächst rasant: Aktuell umkreisen rund 2.500 aktive Miniatursatelliten unseren Planeten. Für die nächsten zehn Jahre wurden bereits Starts von etwa 50.000 weiteren angekündigt. Dieser innovative Ansatz zur Batterieplanung geht jedoch über diesen Anwendungsfall hinaus und lässt sich auch auf andere Bereiche wie Elektromobilität, Drohnen und Smart-Home-Geräte übertragen.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse unter dem Titel „Managing Fleets of LEO Satellites: Non-Linear, Optimal, Efficient, Scalable, Usable, Robust“ auf einer der größten Konferenzen für eingebettete Software, der International Conference on Embedded Software. Neben Professor Holger Hermanns nahmen Juan Fraire, Tobias Mömke und Gregory Stock von der Universität des Saarlandes teil. Fakhri Babayev und Eduardo Cruz vertraten das luxemburgische Unternehmen GOMspace. Das Projekt wird primär vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des ERC Advanced Grant „POWVER“ und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregionalen Sonderforschungsbereichs „CPEC – Center for Perspicuous Computing“ gefördert. Auch das Guangdong Provincial Key Areas Research and Development Programme in China war beteiligt.

Ein Folgeprojekt mit Kooperationspartnern aus Europa, Argentinien und China wurde bereits vergeben. Das von der EU im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt trägt den Titel „Modelle in Weltraumsystemen: Integration, Betrieb und Vernetzung“ und soll im Oktober 2021 beginnen.