Ein neuer Test des DLR belegt, dass Datenübertragung per Laser vom Satelliten zum Boden funktioniert. Damit können Fernerkundungsdaten mehr als 10-mal so schnell übertragen werden.
Hintergrund der Innovation ist der Trend zu immer kompakteren und leistungsfähigeren Kleinsatelliten. Ihre Zahl im Orbit nimmt rasant zu. Die Technik klassischer Funkkanäle stößt dabei an ihre Grenzen. Laserkommunikation soll hier die Datenmenge erhöhen, ohne andere Kanäle zu stören. Dazu hat das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Firma TESAT OSIRIS4CubeSat entwickelt, das nach eigenen Angaben weltweit kleinste kommerziell verfügbare Laserkommunikationsterminal. Der Test habe die Zuverlässigkeit und fehlerfreie Funktion gezeigt, so das DLR.
Ergebnis langfristiger Forschungsarbeit
„Dieser Erfolg ist das Ergebnis unserer langjährigen Forschung auf dem Gebiet der optischen Satellitenkommunikation“, sagt Dr. Florian David, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation. „Er zeigt eindrucksvoll, wie klein, leicht und gleichzeitig leistungsfähig optische Satellitenterminals sein können. Dies ist ein wichtiger Baustein für zukünftige Satellitensysteme, zum Beispiel zur Erdbeobachtung oder in Megakonstellationen.
Der Kleinstsatellit PIXL-1 kann mit einer hochauflösenden Kamera Bilder der Erde aufnehmen und diese mit dem CubeLCT über eine Laserverbindung zum Boden senden. Quelle: DLR
Das erste OSIRIS4CubeSat-Terminal startete am 24. Januar 2021 an Bord des Satelliten CubeL ins All. Im Rahmen der Mission PIXL-1 konnten die vom Kamerasystem auf CubeL aufgenommenen Bilder über den Laserstrahl von OSIRIS4CubeSat zur optischen Bodenstation in Oberpfaffenhofen übertragen werden. Sowohl der Satellit als auch das Laserterminal wurden seitdem umfangreichen Tests unterzogen. Diese Tests konnten nun mit einer End-to-End-Demonstration erfolgreich abgeschlossen werden.
Das im Projekt OSIRIS4CubeSat gemeinsam mit TESAT entwickelte Laserkommunikationsterminal entspricht diesem Standard. Durch das patentierte Design, bei dem erstmals eine elektronische Leiterplatte als mechanische Basis für die optischen Elemente verwendet wurde, konnte eine hohe Kompaktheit erreicht werden.
Keine Genehmigungen notwendig
Mit einer Datenrate von 100 Megabit pro Sekunde übertrifft das Laserterminal die mit vergleichbaren Funksystemen übertragbaren Datenmengen um ein Vielfaches. So können mit OSIRIS4CubeSat in der gleichen Zeit etwa zehnmal so viele Daten übertragen werden wie mit S-Band-Systemen gleicher Größe und Leistungsaufnahme. Neben der hohen Datenrate ist Laser als Übertragungsmedium unabhängig von elektromagnetischen Störungen. Kanalübersprechen, wie man es von klassischen Funkkanälen kennt, gibt es bei der Laserübertragung nicht. Daher sind für Laser-Übertragungskanäle keine langwierigen Genehmigungsverfahren bei der Bundesnetzagentur (BNetzA) oder der International Telecommunication Union (ITU) erforderlich.
Das hochkompakte Kommunikationsterminal CubeLCT wurde am DLR-Institut für Kommunikation und Navigation im Auftrag der Firma Tesat Spacecom entwickelt. Es ist für eine Serienfertigung vorbereitet und kann mit wenigen Freiheitsgraden integriert und justiert werden. Quelle: DLR
Bei der Übertragung der Bilddaten per Laser zur Erde kamen im DLR entwickelte Kodierungsverfahren zum Schutz der Daten zum Einsatz. Denn für eine verlustfreie und stabile Übertragung vom Satelliten zur Erde müssen die Daten vor Störungen durch atmosphärische Effekte geschützt werden.
Dazu werden sie auf dem Satelliten kodiert, bevor sie über den Laserlink zur Bodenstation gesendet werden. Dort werden sie nach dem Empfang wieder decodiert und anschließend verarbeitet. Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) war für die Steuerung sowie die Wartung und Instandhaltung des Satelliten verantwortlich. CubeL ist damit der erste Cube-Satellit, der erfolgreich in das bestehende Bodensegment des GSOC integriert werden konnte.
Von der Forschung zur industriellen Anwendung
Die Ergebnisse von PIXL-1 zeigen die fehlerfreie Funktionalität des O-SIRIS4CubeSat Terminals entlang der gesamten Übertragungskette. Dies ermöglicht in Zukunft einen breiten Einsatz der Laserkommunikation auf einer Vielzahl von Satelliten. Noch vor Abschluss der Demonstrationsmission wurde die Technologie an TESAT übergeben, die das Terminal inzwischen in ihr Portfolio aufgenommen hat und unter dem Namen „CubeLCT“ bzw. „SCOT20“, einer Weiterentwicklung des Produkts, kommerziellen Kunden anbietet.
Dr. Siegbert Martin, CTO TESAT: „Dies unterstreicht die großen Chancen, die sich aus der Zusammenarbeit von Forschung und Industrie in Deutschland ergeben“.