Multi-Orbit Connectivity: neue Kommunikationswege zur Vernetzung des Weltraums

Die Erde wird mittlerweile von unzähligen Satelliten umgeben. Je nach Anwendung haben sich dabei bestimmte Orbits als günstig herausgestellt. So umkreisen die Satelliten im LEO-Orbit (Low Earth Orbit) unseren Planeten erdnah auf Umlaufbahnen zwischen 500 und 1.000 Kilometern Höhe.

Den Großteil machen Erdbeobachtungssatelliten aus. Diese fliegen im sonnensynchronen Orbit (SSO) und benötigen circa 100 Minuten für eine Umrundung. Der Bereich zwischen 1.200 und 3.000 Kilometern wird aufgrund einer hohen Strahlenbelastung vermieden, da diese zu Ausfällen der elektronischen Bauteile führen kann.

Der MEO-Orbit (Medium Earth orbit) wird für Navigationssatelliten genutzt, welche für Systeme wie GPS und Galileo erforderlich sind. Die Orbithöhe beträgt hier zwischen 2.000 und 36.000 Kilometern. Vorteilhaft ist die weitaus größere Sichtbarkeit zur Erde und die längere Umrundungszeit.

Der GEO-Orbit (Geostationary Orbit) schließt bei einer sehr genauen Höhe von 35.786 Kilometern ab. In diesem Orbit finden sich überwiegend Kommunikationssatelliten und die bekannten TV-Übertragungssatelliten, zu denen die Satellitenschüsseln auf den Dächern ausgerichtet werden. Die Orbithöhe ist so bemessen, dass sich die Satelliten mit der Erde drehen und dadurch aus Sicht der Erde immer am gleichen Punkt am Himmel stehen.

Wird eine Datenverbindung zwischen den oben skizzierten Orbits hergestellt, so ist von einer sogenannten Multi-Orbit Connectivity die Rede. Ein konkretes Projekt dieser Art ist das EDRS-Programm (European Data Relay System). Es handelt sich dabei um ein privat-öffentliches Partnerschaftsprogramm zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und Airbus Defence and Space, welches seit 2016 operativ im All ist.

EDRS verbindet die Erdbeobachtungssatelliten des Copernicus Programms im LEO mit dem Datenrelais im GEO mittels hoch-datenratiger optischer Verbindungen. Die GEO-Satelliten sind dann per Funk (Ka-Band) mit der Erde verbunden – eine Art "Standleitung". Die zugrundeliegenden optischen Terminals kommen von TESAT, dem weltweiten Marktführer in der Herstellung von Nutzlastausrüstung für Kommunikationssatelliten mit Sitz in Backnang (Baden-Württemberg).

Die Überflugszeit eines LEO-Satelliten über eine Bodenstation auf der Erde ist relativ kurz. Maximal 15 Minuten Sichtbarkeit werden pro Umlauf erreicht. Zudem erfordern die immer präziseren Messinstrumente auf dem Satelliten eine höhere Übertragungsbandbreite. Dies stellt ein Problem für die Erdbeobachtungssatelliten dar. Es werden längere Übertragungsfenster bei höherer Datenrate benötigt. Multi-Orbit Connectivity löst diese beiden Probleme.

Die Laser Communication Terminals (LCTs) oder Optical Communication Terminals (OCTs) von TESAT übertragen operativ rund um die Uhr die Nutzdaten der 6 LEO-Satelliten bei 1.8 Gbps zu den beiden GEO-Satelliten EDRS-A und EDRS-C. Bis heute (Stand Februar 2023) wurden mehr als 78.000 Links durchgeführt. Täglich entstehen über 30 optische Verbindungen.

Weitere Projekte bereits gestartet

Auch in Zukunft arbeitet TESAT an Datenverbindungen zwischen den verschiedenen Orbits. Hier ist beispielsweise der Beitrag zur SDA (space development agency) zu nennen. Die ersten LCTs und OCTs (SCOT80) wurden im Jahr 2022 bereits ausgeliefert. Diese Terminals werden Teil einer LEO Constellation. Es handelt sich dabei um einen Ring aus Satelliten innerhalb eines Orbits, welche zueinander eine Dauerverbindung aufbauen. Somit können Daten rund um die Erde zirkuliert werden. Neben der Tranche 0 sind bereits für die zweite Phase Tranche 1 eine große Stückzahl LCTs und OCTs beauftragt.

Diese Konstellationen werden in Zukunft ebenfalls Anbindungen und Access Nodes benötigen. Auch in diesem Bereich ist TESAT aktiv. Potenzielle Programme sollen MEO- mit LEO-Konstellationen verbinden – natürlich mittels optischer Links. Aber auch Teilnehmer wie CubeSats, Flugzeuge und unbemannte Luftfahrzeuge werden ihre Datenverbindungen in Zukunft zu Satelliten aufbauen, welche dann über die Konstellationen Daten zu jedem beliebigen Punkt auf der Erde schicken können.

Über die letzten Jahrzehnte hat TESAT das erforderliche Know-how aufgebaut, optische Terminals zu entwickeln, kundenspezifisch aber auch standartisiert zu fertigen und auszuliefern, und zwar für sämtliche Orbits und Plattformen. Das Produktportfolio wächst mit dem Bedarf der Märkte. TESAT ist für die verschiedenen Szenarien und Applikationen in unterschiedlichen Orbits gut aufgestellt. Die Produktionskapazitäten werden in 2023 weiter erhöht.