GeReLEO-MODULOS

Entwicklung eines GeReLEO-Modems für ein Flugexperiment auf einem LEO-Satelliten

Die bodengebundene direkte Übertragung von Steuerbefehlen zu und Telemetrie-/Sensordaten von niedrigfliegenden (LEO) Satelliten oder Unmanned Aerial Systems (UAS) schränkt die Kontaktzeiten bzw. den Aktionsradius dieser Systeme erheblich ein. Für einen geostationären Relaissatelliten hingegen ist knapp die halbe Erde sichtbar. Mit einer einzigen, eventuell durch Redundanz gesicherten, Bodenstation sind über das Datenrelais erheblich längere Kontaktzeiten zu einer ganzen Flotte von LEOs oder UASs möglich.

Im Rahmen des GeReLEO-MODULOS Projekts wurden vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation die hierfür benötigten Protokollschichten zur Realisierung der kanaladaptiven Ka-Band-Übertragungs- und Zugriffsverfahren (Data Link Layer, Media Access Control, Ressourcenmanagement etc.) entwickelt. Beiträge der Projektpartner waren der Bau des Engineering Model (EM) eines LEO-Satellitenmodems sowie der Bodenstationsmodems.

Niedrigfliegende (LEO) Satelliten benötigen für viele Anwendungen, wie z.B. die Erdbeobachtung, Datenverbindungen mit möglichst langen Kontaktzeiten. Direkte Kommunikationsverbindungen zwischen einem LEO-Satelliten und einer Bodenstation können jedoch immer nur bei Sichtbarkeit des LEO Satelliten für etwa 10 Minuten aufgebaut werden. Für Erdbeobachtungssatelliten auf polaren Orbits ergeben sich so typischerweise im Zeitmittel pro Tag Zugriffszeiten von ca. 60 bis 70 Minuten. Diese vergleichsweise kurze Zeitdauer stellt sich angesichts der ständig wachsenden Anforderungen hinsichtlich der akquirierten Datenmengen mehr und mehr als Nadelöhr dar. Jedoch auch für LEO-Satellitensysteme mit Echtzeitanforderung erweist sich die limitierte Zugriffsmöglichkeit, die direkte Bodenstationskontakte bieten als problematisch. Als Möglichkeit zur Linderung der beschriebenen Problemstellungen wird häufig der Einsatz weltweiter Bodenstationsnetzwerke gewählt. Allerdings erlaubt auch dieser Ansatz insbesondere hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit keine durchgängigen Kontaktzeiten und ist überdies grundsätzlich überaus kostspielig.

Demgegenüber können lange kontinuierliche Kontaktzeiten für niedrigfliegende Satelliten sehr elegant durch geostationäre Ralais-Satelliten realisiert werden. Ein LEO-Satellit ist für das geostationäre Datenrelais auf mehr als der Hälfte seiner Umlaufbahn sichtbar. Eine einzige, eventuell durch Redundanz gesicherte Bodenstation, ist zur Übermittlung der Daten ausreichend.

Im Vorgängerprojekt GeReLEO (Förderkennzeichen 50YB0907) wurden neue kanaladaptive Übertragungsverfahren für das Ka-Band sowohl für die Satellitensteuerung und Bahnverfolgung (TT&C) als auch für die hochratige Übertragung der eigentlichen Nutzdaten entwickelt. Vorwärtsfehlerkorrektur und Modulationsverfahren werden an die Antenneneigenschaften, an den Abstand zwischen den Satelliten bzw. an die tatsächlichen atmosphärischen Verhältnisse zwischen dem geostationären Satelliten und der Bodenstation angepasst, so dass die zur Verfügung stehende Bandbreite und Sendeleistung zu jeder Zeit optimal ausgenutzt wird.

Im Rahmen von GeReLEO-MODULOS wurden die gewonnenen Erkenntnisse zu einem experimentellen GeReLEO-Modem bis zur Engineering Model (EM) Reife weiterentwickelt. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation entwickelte im Projekt das Kommunikationsprotokoll (Data Link Layer und Schnittstellen zu angrenzenden Protokollschichten) für das LEO-Satellitenmodem und das Bodenstationsmodem, welches adaptive/variable Codierungs- und Modulationsverfahren und den Vielfachzugriff für mehrere LEO Satelliten unterstützt.

Der Schlussbericht beschreibt Details der Systemarchitektur sowie die gewählte Umsetzung in Hard- und Software.