SANTANA



.
Zum vergrößern bitte hier klicken
Darstellung möglicher Nutzer der mobilen Satellitenkommunikation
.
Zum vergrößern bitte hier klicken

Modularer Aufbau des Terminals Bildquelle: IMST GmbH

.
Zum vergrößern bitte hier klicken
Technologiedemonstrator in der Antennenmesskammer beim IMST Bildquelle: IMST GmbH
Bei SANTANA (Smart Antenna Terminal) handelt es sich um die Entwicklung einer flachen, elektronisch steuerbaren Antenne mit rechnergestützter, digitaler Strahlformung und Strahlschwenkung für breitbandige und mobile Satellitenkommunikation mit hohen Datenraten im Ka-Band. Die Funktionalität der entwickelten Technologiedemonstratoren wurde im Rahmen von Feldversuchen zwischen einem Forschungsflugzeug und einer Bodenstation, ausgestattet mit der SANTANA-Antenne, erfolgreich nachgewiesen. Dabei wurde beispielhaft eine Videokonferenzübertragung realisiert.

Die SANTANA-Antenne ist gerade für Anwendungen in der mobilen Satellitenkommunikation geeignet. Insbesondere sind dabei Einsatzbereiche interessant, in denen mechanisch bewegte Antennenschüsseln weniger in Frage kommen. Als Beispiel sei das sog. "Inflight Entertainment" genannt, also die Möglichkeit, im Passagierflugzeug über eine in der Oberfläche des Flugzeugrumpfes integrierte Antenne einen Internetzugang und E-Mail-Dienste nutzen zu können.

Im Vorhaben SANTANA wurde der technologische Grundstein für eine voll ausgebaute aktive Terminal-Antenne zur Satellitenkommunikation im Ka-Band gelegt. Dabei wurde ein modulares Konzept verfolgt, nämlich der Aufbau hochintegrierter Module mit jeweils 16 Antennenelementen inklusive der zugehörigen Sende- und Empfängerschaltungen sowie der digitalen Signalverarbeitung. Diese Module lassen sich dann zu größeren Antennenarrays kombinieren und erlauben damit einen sehr flexiblen Antennenaufbau.
Das aktuelle Demonstratorsystem besteht aus je vier Modulen und somit aus je 64 Elementen für Senden (Tx) und für Empfangen (Rx).

Sende- und Empfangsantenne wurden wegen der hohen Integrationsdichte separat aufgebaut und arbeiten auf unterschiedlichen Frequenzen im Ka-Band. Die Datenraten sind in Sende- und Empfangsrichtung bei diesem Demonstrator unterschiedlich, so dass eine für viele Anwendungen typische asymmetrische Datenverbindung entsteht: niedrige Datenrate (brutto 400 kbps, BPSK) in Sendrichtung (Uplink), hohe Datenrate (brutto 28 Mbps, QPSK) in der Empfangsrichtung (Downlink) im Falle der kompletten Ausbaustufe des Antennenarrays mit ca. 64 Modulen.

Bodenexperiment

Nach der erfolgreichen Vermessung der Sende- und Empfangsantennen in der Antennenmesskammer des IMST wurden zuerst Mobilitätstests mit Hilfe eines Fahrzeugs durchgeführt. Dieses Bodenexperiment fand auf dem Firmengelände der IMST GmbH in Kamp-Lintfort statt und diente dazu, das Kommunikationssystem in einem realen Szenario zu testen und es gleichzeitig für das anschließend geplante Flugexperiment vorzubereiten.

Zur Durchführung des Bodenexperimentes wurde eine Ka-Band Bake als Gegenstelle in ein Fahrzeug eingebaut während die SANTANA-Antenne am geöffneten Büro-Fenster im zweiten Obergeschoss des Gebäudes aufgebaut war. Während das Fahrzeug in einer Entfernung von bis zu 140 Meter am Bürogebäude vorbei fuhr, wurde ein Videosignal vom Büro über die SANTANA-Antenne in das Fahrzeug und umgekehrt übertragen.

Die erzielten Winkelgeschwindigkeiten, und somit die erforderliche Agilität der Strahlschwenkung entsprachen bereits den Anforderungen des späteren Flugexperiments. Darüber hinaus stellte die komplexe Umgebung - geparkte Fahrzeuge, Vegetation, Nachbargebäude - hohe Anforderungen an die Algorithmen zur automatischen Strahlnachführung (Tracking). Trotz dieser hohen Anforderungen konnte jedoch eine stabile Signalübertragung erreicht werden, so dass das Bodenexperiment sehr erfolgreich verlief.

Flugexperiment

Am Flughafen Braunschweig wurden anschließend die Flugexperimente mit der SANTANA-Antenne erfolgreich absolviert. Der SANTANA-Technologiedemonstrator befand sich auf dem Vorfeld des Flughafengebäudes. In einer DO 228, einem Forschungsflugzeug des Institutes für Flugführung (IFF) der TU Braunschweig, wurde eine Ka-Band-Bake als Gegenstelle installiert. Das Flugzeug absolvierte während der Versuche im Wesentlichen vier definierte Szenarien: einen Kreis in verschiedenen Höhen, eine Schraubenlinie (Spirale), eine Acht sowie direkte Überflüge über die Antenne in verschiedenen Höhen.

In allen Szenarien wurden Messungen mit der SANTANA-Antenne durchgeführt. Während der gesamten Flüge wurde der Antennenstrahl der SANTANA-Antenne elektronisch mit Hilfe der implementierten Tracking-Algorithmen nachgeführt. Gleichzeitig wurde die Flugzeugposition und Lage im Raum aufgezeichnet, um sie mit dem Trackingergebnis zu vergleichen. Dabei ergab sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung, selbst bei sehr flachen Elevationswinkeln, also dann wenn sich das Flugzeug unter einem Erhebungswinkel von beispielsweise 30 Grad über der Antenne befand.

Zur Charakterisierung der SANTANA-Antenne bezüglich der Sende- und Empfangsqualität während des Fluges wurden verschiedene Parameter wie Empfangsleistung oder Bitfehlerrate gemessen. Dank der schnellen und genauen Strahlnachführung konnte während der Flüge zusätzlich eine bidirektionale Kommunikation über ein Videokonferenz-Tool aufgebaut werden, die einen Eindruck über die zukünftige Applikation vermittelte.

Die Datenraten während der Demonstration lagen bei zwei MB im Downlink und 400 kB im Uplink. Das Signal zu Rauschverhältnis lag in der Größenordnung von 15 Dezibel und die gemessene Empfangs-Leistung lag bei -30 dBm, die Sendeleistung bei etwa -3 dBW. Die Flughöhen lagen bei den verschiedenen Szenarien zwischen 2000m und 6000m, die Fluggeschwindigkeiten lagen zwischen 50 Metern pro Sekunde und 80 Metern pro Sekunde. Die maximale Winkelgeschwindigkeit lag bei zirka 5,2 Grad pro Sekunde, gemessen bei etwa 250 Stundenkilometern und einer Flughöhe von 760 Metern.

In allen getesteten Szenarien ergab sich eine ausgezeichnete Verbindungsqualität. Somit konnte die Funktionsfähigkeit der SANTANA-Antenne in einem realistischen Flugszenario nachgewiesen werden.

Projektorganisation

Das Projekt wird von der IMST GmbH und dem Institut für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (Projektkoordination) bearbeitet. Das Institut für Kommunikation und Navigation des DLR in Oberpfaffenhofen sowie die EADS Astrium GmbH bringen ihre technischen Kompetenzen im Rahmen von Unteraufträgen ein.

Am 22. und 23. November 2005 fand in Bonn-Oberkassel ein Workshop zum Thema "Aktive Antennen" statt. Im Laufe des ersten Tages wurden alle durch das Raumfahrtmanagement geförderten Aktivitäten im Bereich der Antennentechnologie durch die Projektleiter vorgestellt. Am zweiten Tag wurden die (aktiven) Antennentechnologien aus Sicht der Anwender und Nutzer beleuchtet und zukünftige Szenarien dargestellt und diskutiert. Ziel des Workshops war zum einen der wissenschaftliche Austausch zwischen den Teilnehmern und zum anderen Strategien für einen zukünftigen Förderschwerpunkt zu erarbeiten. Mit über 60 Workshop-Teilnehmern wurde die Aktualität und Bedeutung der behandelten Thematik unterstrichen. Die einzelnen Vorträge können hier (s. Artikel zum Thema) abgerufen werden.

Am 30. Mai 2007 fand eine SANTANA-Live-Demo statt. Wir führten eine Video-Konferenz zu einem Fahrzeug vor. 


Kontakt
Dr. Siegfried Voigt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Raumfahrtmanagement
, Satellitenkommunikation
Tel: +49 228 447-312

Fax: +49 228 447-709

E-Mail: Siegfried.Voigt@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-4161/3338_read-5022/
Links zu diesem Artikel
http://www.dlr.de/kn
http://www.astrium.eads.net/
http://www.tu-harburg.de/et3/home/index.html
http://www.imst.de/
Texte zu diesem Artikel
Workshop "Aktive Antennen" in Bonn-Oberkassel (http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-4164/6715_read-9758/usetemplate-print/)
Downloads zu diesem Artikel
Flyer zu SANTANA (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/RK/santana-flyer_08_2007.pdf)