25. März 2021
Hohe Datenraten für Kleinsatelliten

DLR-La­ser­ter­mi­nal im All nimmt Kon­takt mit ja­pa­ni­scher Bo­den­sta­ti­on auf

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Der Flying Laptop Satellit der Universität Stuttgar
Der Fly­ing Lap­top Sa­tel­lit der Uni­ver­si­tät Stutt­gart
Bild 1/3, Credit: ©Universität Stutgart

Der Flying Laptop Satellit der Universität Stuttgart

Das vom DLR ent­wi­ckel­te OSI­RIS-Ex­pe­ri­ment ist im Fly­ing Lap­top Sa­tel­lit der Uni­ver­si­tät Stutt­gart in­te­griert. Der Sa­tel­lit un­ter­stützt ein hoch­ge­nau­es Sa­tel­li­ten­poin­ting, um den von OSI­RIS aus­ge­sen­de­ten La­ser­strahl zu ei­ner op­ti­schen Bo­den­sta­ti­on auf der Er­de aus­zu­rich­ten.
Die optische Bodenstation des NICT mit 20-Zentimeter-Teleskop und Kuppel für das 1-Meter-Teleskop
Die op­ti­sche Bo­den­sta­ti­on des NICT mit 20-Zen­ti­me­ter-Te­le­skop und Kup­pel für das 1-Me­ter-Te­le­skop
Bild 2/3, Credit: National Institute of Information and Communications Technology

Die optische Bodenstation des NICT mit 20-Zentimeter-Teleskop und Kuppel für das 1-Meter-Teleskop

Die op­ti­sche Bo­den­sta­ti­on des Na­tio­nal In­sti­tu­te of In­for­ma­ti­on and Com­mu­ni­ca­ti­ons Tech­no­lo­gy (NICT) in To­kio, Ja­pan, bein­hal­tet ein 1-Me­ter-Te­le­skop, wel­ches für Ka­nal­mes­sun­gen aus­ge­rüs­tet ist, und ein 20-Zen­ti­me­ter-Te­le­skop für zu­sätz­li­che Mess­sun­gen.
Das Flugmodell des OSIRIS-Laserterminals
Das Flug­mo­dell des OSI­RIS-La­ser­ter­mi­nals
Bild 3/3, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Das Flugmodell des OSIRIS-Laserterminals

Das OSI­RIS-Ex­pe­ri­ment bein­hal­ten Kom­po­nen­ten zur Strom­ver­sor­gung so­wie La­ser­quel­len zur Da­ten­über­tra­gung. OSI­RIS auf dem "Fly­ing Lap­top" ist die ers­te Ge­ne­ra­ti­on der beim DLR-In­sti­tut für Kom­mu­ni­ka­ti­on und Na­vi­ga­ti­on ent­wi­ckel­ten La­ser­ter­mi­nals für Klein­sa­tel­li­ten.
  • Erstmals wurde ein Signal des DLR-Terminals OSIRISv1 auf einer Bodenstation des NICT in Japan empfangen.
  • OSIRISv1 wurde vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation entwickelt und in Kooperation mit dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart auf dem Satelliten „Flying Laptop“ im Jahr 2017 ins All gestartet.
  • Durch optische Kommunikationssysteme, die Laserstrahlen zur Datenübertragung einsetzen, ist eine deutliche Steigerung der Datenraten zwischen Satelliten und Bodenstationen ist möglich.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Digitalisierung, Satellitenkommunikation

Die Auflösung von Kameras und anderen Sensoren auf Erdbeobachtungssatelliten steigt stetig an. Dies führt zu immer größer werdenden Datenmengen, die heutzutage noch mit Funksystemen zur Erde übertragen werden. Die Datenverbindung zwischen dem Satelliten und der Erde begrenzt dabei die Fähigkeit der Systeme. Mit optischen Kommunikationssystemen, die Laserstrahlen zur Datenübertragung einsetzen ist, eine deutliche Steigerung der Datenraten möglich. Zahlreiche Bilder können mit hoher Auflösung übertragen werden. Im Rahmen einer internationalen Kooperation haben Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des japanischen National Institute of Information and Communications Technology (NICT) und unterstützt durch die Universität Stuttgart mit Kanalmessungen zur Laser-Datenübertragung in Japan begonnen. Vor kurzem wurde hierfür ein erster Link aus dem All vom optischen Terminal „OSIRISv1“ auf einer optischen Bodenstation in Tokio empfangen.

„Die satellitengestützte Laserkommunikation läutet eine neue Ära in der Satellitenkommunikation ein“, ist sich Christian Fuchs vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation sicher. Er leitet am Institut federführend die Arbeiten im Bereich optischer Kommunikation. Systeme der nächsten Generation ermöglichen bereits Datenraten von bis zu zehn Gigabit pro Sekunde. Sie sind zudem kleiner, leichter und benötigen weniger elektrische Leistung als vergleichbare Funksysteme. Da Laserstrahlen Wolken nicht durchdringen, werden weltweite Netzwerke von optischen Bodenstationen benötigt, um die gewünschte Verfügbarkeit zu erreichen. OSIRISv1 (Optical Space Infrared Downlink System) wurde vom DLR entwickelt und in Kooperation mit dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart auf dem Satelliten „Flying Laptop“ im Jahr 2017 ins All gestartet.

Gemeinsames Experiment mit Forschern in Japan

Bei dem gemeinsamen Experiment wurden erste Messdaten, wie beispielsweise die optische Empfangsleistung, aufgezeichnet. Damit kann das Verhalten des atmosphärischen Übertragungskanals bewertet werden. Dies wird einerseits verwendet um die Auslegung von zukünftigen Systemen zu optimieren und andererseits um Netzwerke zu planen. Bei der eingesetzten Wellenlänge von 1550 Nanometern, die in den Standards vorgesehen ist, gibt es bis dato sehr wenige Messdaten.

Erwähnenswert ist auch die genaue Strahlausrichtung, welche durch die Lageregelung des Flying Laptop Satelliten ermöglicht wird. OSIRISv1 besitzt selbst keine mechanischen Elemente zur Strahlsteuerung. Deshalb muss die Lageregelung des Satelliten diese Ausrichtung leisten. Die Universität Stuttgart hat hier in gemeinsamen Experimenten mit dem DLR an der DLR-Bodenstation in Oberpfaffenhofen die Lageregelung erfolgreich optimiert.

Die gewonnenen Messdaten werden von den Teams nun ausgewertet und sind die Grundlage für weitere Versuche in naher Zukunft, sowohl zur Bodenstation des NICT als auch zu weiteren Partnereinrichtungen weltweit. Die derzeitigen Messungen in Japan reihen sich in eine lange Historie von gemeinsamen Versuchen ein, die bisher unter Verwendung von japanischen Satelliten in Oberpfaffenhofen stattfanden. Versuche mit dem OICETS-Satelliten der japanischen Raumfahrtagentur JAXA fanden in den Jahren 2006 und 2009 statt und die Versuche mit der Nutzlast Small Optical TrAnsponder (SOTA) des NICT im Jahre 2013.

In naher Zukunft werden weitere internationale Experimente mit DLR-Nutzlasten erfolgen: Am 24. Januar 2021 wurde das kleinste Laserterminal der Welt, OSIRIS-CubeL, welches das DLR in Kooperation mit Tesat Spacecom entwickelt hat, an Bord des Satelliten PIXL-1 gestartet. Bereits im kommenden Jahr soll OSIRISv3 auf der Bartolomeo Plattform von Airbus Defence & Space an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) installiert werden.

Kleines System mit großer Aufgabe
DLR und Tesat bringen die Laserkommunikation mit einem Cubesat-Satelliten ins Weltall Was kommt nach der Glasfaser? Laserkommunikation! Sie gilt als kabellose Zukunft der Datenübertragung im All. Als Pionier der Kleinstsatelliten soll PIXL-1 zusammen mit OSIRIS4CubeSat, dem kleinsten Laserterminal...
Credit: ©DLR/Tesat-Spacecom

NICT

Das National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokyo betreibt Forschung und Entwicklung der optischen Kommunikation im Weltraum für die Weiterentwicklung der Satellitenkommunikation der Zukunft. Mit dem Satelliten SOTA (Small Optical Transponder), der von 2014 bis 2016 im Orbit getestet wurde, wurden nicht nur optische Bodenstationen in Japan sondern auch Forschungseinrichtungen wie dem DLR, Centre National D'Etudes Spatiales (CNES), European Space Agency (ESA) und Kanada (Canadian Space Agency (CSA) einbezogen. So konnten optische Kommunikationsexperimente mit Bodenstationen durchgeführt und wertvolle Daten aus optischen Kommunikationsexperimenten gewonnen werden. Bislang hat NICT eine gemeinsame Forschungsvereinbarung mit dem DLR unterzeichnet.

Universität Stuttgart

Die Abteilung Satellitentechnik des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart entwickelt, baut, integriert, qualifiziert und betreibt Kleinsatellitensysteme neben weiteren Forschungsfeldern. Im Bereich Satellitentechnik entwickeln sie auch neue Technologien und Nutzlastinstrumente für Satelliten und erproben diese unter Weltraumbedingungen. Ebenfalls hierzu gehört die Weiterentwicklung und Anwendung neuer Verfahren im Bereich der Infrastruktur für Bau, Qualifikation und Betrieb von Satelliten. Der erste Satellit der Universität Stuttgart ist der Kleinsatellit Flying Laptop, der seit Juli 2017 vom Kontrollzentrum an der Universität Stuttgart erfolgreich betrieben wird. Mit einer Masse von 110 Kilogramm ist der Flying Laptop der bis heute größte und komplexeste Satellit, der von einer deutschen Universität entwickelt wurde.

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