Erdbeobachtungssatelliten sind aufgrund ihrer geringen Bahnhöhe nur etwa 10 Minuten während eines Überflugs sichtbar. Abhängig von Umlaufbahn des Satelliten und Lage der Bodenstation vergehen bis zu mehrere Stunden zwischen zwei Überflügen. Für die Satellitensteuerung, Bahnverfolgung und den Download von Sensordaten ist daher ein kostspieliges weltweites Netzwerk von Bodenstationen notwendig. Im Rahmen des Forschungsprojekts GeReLEO (GEO Relais für LEO Satelliten) stellt das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation nun eine deutlich günstigere Lösung vor: Ausgerüstet mit einer leistungsfähigen Empfangsantenne könnten künftig geostationäre Satelliten die Aufgabe der Bodenstationen übernehmen und Kontakt zu den niedrig fliegenden Satelliten herstellen.
Aus Sicht eines geostationären Relaissatelliten ist ein Erdbeobachtungssatellit auf mehr als der Hälfte seiner Erdumlaufbahn erreichbar. Die Vorteile liegen so auf der Hand: Steuerbefehle können über einen wesentlich längeren Zeitraum abgesetzt werden und die Nutzdaten können im Laufe eines halben Orbits kontinuierlich übertragen werden. Die große Entfernung zwischen diesen Satelliten ist jedoch auch eine Herausforderung – die Ausrichtung der Empfangsantenne.
Leistungsstark und flexibel: Multibeam-Empfangsantenne
Jeder, der schon einmal eine parabolische Empfangsantenne für das Satellitenfernsehen einrichten musste, kennt das Problem der erforderlichen genauen Ausrichtung. Auf einem geostationären Satelliten sind das „Pointing“ und die zusätzliche dynamische Nachführung , das sogenannte „Tracking“, des Antennenreflektors für Anwendungen mit hohen Datenraten zwar möglich, allerdings kann dabei immer nur genau ein Satellit verfolgt werden. Ein rasches „Umschalten“ zwischen verschiedenen Erdbeobachtungssatelliten wird durch die Massenträgheit und mechanischen Beschränkungen verhindert.
Im Forschungsprojekt GeReLEO wurde deshalb eine neuartige Multibeam-Empfangsantenne für das Ka-Band, etwa im 26 Gigahertz-Bereich, konzipiert und als Laborsystem gefertigt. Mittels eines starren Hauptreflektors und digitaler Strahlformung erlaubt diese Antenne sowohl mehrere gleichzeitige niederratige Verbindungen als auch das schnelle Umschalten zwischen Erdbeobachtungssatelliten bei hohen Datenübertragungsraten. Eine wesentliche Kernkomponente ist das MEMS (micro-electro-mechanical systems) basierte Schaltmodul, das für das GeReLEO Projekt von Grund auf neu entwickelt wurde.
Neue Übertragungsverfahren
Außer der Antennenhardware wurden neue kanaladaptive Übertragungsverfahren entwickelt – sowohl für die Satellitensteuerung und Bahnverfolgung als auch für die hochratige Übertragung der Nutzdaten: Vorwärtsfehlerkorrektur und Modulationsverfahren werden an die Eigenschaften der Antenneund an den Abstand zwischen den Satelliten beziehungsweise an die tatsächlichen atmosphärischen Verhältnisse zwischen dem geostationären Satelliten und der Bodenstation angepasst. So wird die zur Verfügung stehende Bandbreite und Sendeleistung zu jeder Zeit optimal ausgenutzt. Zudem wurde ein Datenübertragungsprotokoll entwickelt, das mittels Zeitmultiplexverfahren die gleichzeitige niederratige Datenübertragung von und zu mehreren Erdbeobachtungssatelliten erlaubt.
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts wurden in einer Abschlusspräsentation vorgestellt und in einem Laborsystem erfolgreich demonstriert. Neben dem Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) waren zudem die Unternehmen und Einrichtungen EADS Innovation Works (Ottobrunn), Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (Chemnitz), SINTEC Microwave Systems GmbH (Böblingen), Steinbeis-Innovationszentrum Raumfahrt (Stuttgart), Astrium Satellites, sowie die Technische Universität München mit dem Lehrstuhl für Kommunikation und Navigation an dem Projekt beteiligt. Gefördert wurde GeReLEO vom DLR-Raumfahrt Management mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie.