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FLUG REVUE 03/2017

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Raumfahrt

Raumfahrt Laserkommunikation Das EDRS soll in Zukunft weiter ausgebaut werden. 2020 könnte ein dritter Relaissatellit in einen geostationären Orbit gebracht werden. Datenübertragung auf der Überholspur Das Europäische Datenrelaissystem (EDRS) kann Satellitendaten aus niedrigen Orbits über geostationäre Relaissatelliten mittels Laserstrahlen blitzschnell zur Erde senden. Die Übertragung von Daten zwischen Satelliten und der Erde spielt seit Beginn des Raumfahrtzeitalters eine zentrale Rolle. Dabei nehmen die Datenvolumina rasant zu. Das gilt besonders bei Erdbeobachtungssatelliten, deren Sensoren vielfältige Bildinformationen hoher Qualität liefern. Sie werden unter anderem für Aufgaben in der Raumplanung, der Landwirtschaft, dem Umweltschutz, für Katastrophenvorhersagen und -management benötigt. Der Aufbau des europäischen Fernerkundungssystems Copernicus mit seinen sechs Sentinel-Satelliten sorgt für weiteren Zuwachs des Datenvolumens. Dazu kommt noch ein Problem. Hochauflösende Aufnahmen können nur aus niedrigen Umlaufbahnen (Low Earth Orbit, LEO) gewonnen werden. Dadurch haben Satelliten im LEO einen bestimmten Teil der Erdoberfläche lediglich für fünf bis zehn Minuten in ihrem Blickfeld. Wenn sich dort eine Bodenstation für den Empfang befindet, ist also nur in dieser kurzen Zeit eine Verbindung zum Satelliten herstellbar. Deswegen müssen die Daten bis zur Übertragung an Bord zwischengespeichert und dann mit hoher Geschwindigkeit zur Erde gesendet werden. Die Kunden erhalten ihre Informationen erst, wenn wieder eine Bodenstation überflogen wird. Bis zu 90 Minuten Verzögerung sind bahnmechanisch bedingt üblich. Das ist gerade bei Aufnahmen aus Katastrophengebieten, wo es auf jede Minute ankommt, ein Nachteil. Um die Daten in nahezu Echtzeit zur Verfügung stellen zu können, bietet sich ein Ausweg an: eine Zwischenstation im All, die so positioniert ist, dass immer Kontakt zu einem Empfangsposten auf der Erde besteht. Geostationäre Kommunikationssatelliten, die sich in 36 000 Kilometern Höhe über dem Äquator befinden, erfüllen das Kriterium. Wenn einige dieser Satelliten mit den entsprechenden Empfangs- und Sendeeinrichtungen ausgerüstet werden, können sie als Relais zwischen Raumflugkörpern in LEOs und der Erde dienen. Im Rahmen des ARTES-7-Programms (Advanced Research in Telecommunications Systems) der europäischen Raumfahrtagentur ESA wurden die Grundlagen eines solchen Systems entwickelt und Airbus Defence & Space (DS) 2011 mit Herstellung und Betrieb des Europäischen Datenrelaissystems 74 FLUG REVUE MÄRZ 2017 www.flugrevue.de

(EDRS) beauftragt. Es besteht aus zwei Elementen im Weltraum und einem Bodensegment. Außerdem müssen die Sentinel-Satelliten und andere Raumflugkörper, die über EDRS ihre Daten übertragen sollen, mit entsprechenden Sendeterminals ausgestattet sein. Das Gesamtsystem wird in Form einer öffentlich-privaten Partnerschaft von der ESA und Airbus DS finanziert. Das Eigentum an EDRS geht nach der kompletten Errichtung an Airbus über und damit auch die Gesamtverantwortung für die Weltraum- und Bodeninfrastruktur. Im Gegenzug verpflichtet sich Airbus, die Betriebstätigkeiten für eine Dauer von 15 Jahren zu gewährleisten. MIT LICHTGESCHWINDIGKEIT DATEN SENDEN Mit der Stationierung der Relaissatelliten ist aber nur ein Problem gelöst. Die wachsende Datenflut erfordert neue Übertragungstechnologien. Bisher gelang es, durch höhere Funkfrequenzen die Bandbreite der Sendekanäle und damit die Übertragungsgeschwindigkeit kontinuierlich zu steigern. Dem sind jedoch physikalische Grenzen gesetzt. Als Ausweg bieten sich Laserstrahlen an. Sie haben den Vorteil, dass die Frequenz, also die Schwingungszahl der Lichtwelle pro Zeiteinheit, wesentlich höher als bei Funkwellen ist. Dementsprechend können mehr Informationen in der gleichen Zeit übertragen werden. Gleichzeitig bietet das Vakuum im Weltraum optimale Ausbreitungsbedingungen für Laserlicht, sodass es sich besonders für die Verbindung zweier Satelliten eignet. Ein weiterer Vorteil von Laserstrahlen besteht in der scharfen Bündelung. Sie haben bei der Fokussierung durch ein Teleskop in 40 000 bis 50 000 Kilometern Entfernung lediglich einen Durchmesser von wenigen hundert Metern. Die Daten kommen so nur im nahen Umfeld des Empfängers an, was Abhörmöglichkeiten einschränkt. Das Airbus-Tochterunternehmen Tesat-Spacecom aus Backnang hat zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Laserterminal (Laser Communication Terminal, LCT) entwickelt, das bereits erfolgreich im All getestet wurde und auch beim EDRS für die Satellitenverbindungen genutzt wird. Es ist in der Lage, bis zu 1,8 Gigabit pro Sekunde oder 225 Megabyte pro Sekunde Nutzerdaten über 45 000 Kilometer zu übertragen. Das entspricht einer Kapazität von bis zu 40 Terabyte pro Tag. Man bräuchte für deren Speicherung 10 LEO-Satelliten mit Laserkommunikationsterminal übermitteln Bilder und Videos über Laser. Der Relaissatellit (GEO) empfängt Daten über Laser und sendet sie über Funk zur Erde. handelsübliche Festplatten zu je vier Terabyte. Mit Hilfe dieser Terminals werden die Daten per Laserstrahl (ca. 1,1 Watt) zwischen einem Satelliten im LEO und je einem der beiden Weltraumsegmente im geostationären Orbit übertragen. Von dort erfolgt die Weiterleitung zur Erde. Für diese Teilstrecke wird Das Bodensegment empfängt und verwaltet die Daten. Flugzeuge, Schiffe und Rettungsteams können künftig auf Satellitenbilder in nahezu Echtzeit zugreifen. Eutelsat 9B ist der erste Baustein des EDRS. Der Satellit hat als Huckepack- Nutzlast ein Laserkommunikationsterminal und ist seit einem Jahr im Orbit. Sentinel-1A schickte im Mai 2016 das erste Testbild (La Réunion) via EDRS. Fotos: Airbus DS, Copernicus Sentinel data (2016), processed by ESA, ESA www.flugrevue.de FLUG REVUE MÄRZ 2017 75

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