Optische Satellitenverbindungen für die Kommunikation von morgen
Beitrag von Dr. Christian Fuchs DLR Institut für Kommunikation und Navigation
Optische Freiraumkommunikation, d. h. die Datenübertagung per moduliertem Laserlicht, bietet gegenüber klassischen funkbasierten Übertragungsverfahren einige Vorteile. Diese umfassen beispielsweise die sehr hohen Datenübertragungsraten im Gigabit-pro-Sekunde- bis Terabit-pro-SekundeBereich, die Systeme sind aufgrund der geringen Strahlaufweitung sehr leistungseffizient, können kompakt aufgebaut werden und sind praktisch nicht abhörbar.
Zu den Nachteilen zählen die hohen Anforderungen an die präzise und schnelle Ausrichtung der Laserstrahlen sowie die Tatsache, dass Bewölkung bei Datenverbindungen zwischen Satelliten und Erde den Kommunikationslink unweigerlich unterbricht, sodass ein Bodenstationsnetzwerk (mit mehreren Stationen an günstigen Orten) notwendig wird um eine gute Linkverfügbarkeit zu gewährleisten. So reicht beispielsweise eine tiefe zweistellige Anzahl von optischen Bodenstationen an günstigen Standorten in Europa aus, um deutlich über 99 % kombinierte Verfügbarkeit zu erreichen [1].
Nach ersten Technologiedemonstrationen mit Flugträgern [2] und Satelliten [3] in den 2000er Jahren werden inzwischen die ersten Laserkommunikationssysteme in kommerziellen Satellitenanwendungen erfolgreich eingesetzt – so zum Beispiel beim European Data Relay System (EDRS) der ESA, bei dem Daten von tieffliegenden Satelliten per Laser zu geostationären Satelliten gesendet werden, welche die Daten per traditionellem Funk zu Stationen auf der Erde weiterleiten [4]. Eine Reihe von Laserkommunikationsterminals für weitere Anwendungsbereiche ist aktuell in der Entwicklung und befinden sich an der Schwelle aus Forschung und Entwicklung hin zur Industrialisierung.
In Zukunft werden Laserlinks in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden; dies betrifft beispielsweise die Vernetzung von Satelliten in Megakonstellation, optischen Zeit- und Frequenztransfer für zukünftige Satellitennavigationssysteme, sowie die Quantenschlüsselverteilung, welche auch auf optische Übertragungsverfahren angewiesen ist.
Grundlagen
Als Lichtquelle für optische Freiraumkommunikationssysteme werden typischerweise Laserdioden mit Wellenlängen im nahen Infrarot eingesetzt. Der in Glasfasernetzen weit verbreitete Wellenlängenbereich um 1550 nm ist auch für Freistrahlanwendungen attraktiv, da eine große Anzahl von Komponenten verfügbar ist. Zudem weist die Atmosphäre bei dieser Wellenlänge eine vergleichsweise geringe Dämpfung auf. Die relativ geringe Ausgangsleistung einer Laserdiode (wenige Milliwatt) kann sehr gut mit einem Glasfaserverstärker in Größenordnungen von einem bis zehn Watt angehoben werden.
Es gibt verschiedene Verfahren, wie Daten auf den Lichtträger moduliert werden können. Im einfachsten Fall wird die Intensität des abstrahlten Lichts ein- und ausgeschaltet (Intensity Modulation with Direct Detection, IM/DD). Da auf Empfängerseite lediglich die Intensität des empfangenen Lichts detektiert werden muss, ist IM/DD sehr robust gegenüber atmosphärischen Einflüssen und wird daher häufig in aeronautischen Anwendungen, sowie für Übertragungen von tieffliegenden Satelliten zur Erde, eingesetzt. Nachteil ist die begrenzte Empfindlichkeit des Verfahrens. Ein andere Variante ist die Phasenmodulation, bei welcher direkt die Phase des optischen Trägers moduliert wird. Dies hat eine wesentlich bessere Empfindlichkeit zur Folge – jedoch haben die durch die Atmosphäre verursachten Phasenstörungen einen starken Einfluss auf die Signalqualität des Empfangssignals.
Dieses Beispiel macht deutlich, dass technische Parameter wie die Wellenlänge, das Modulationsverfahren und weitere Eigenschaften des Systems stark vom Anwendungsszenario abhängen und jeweils dafür optimiert werden sollten, um ein effizientes Systemdesign zu gewährleisten.
Optische Satellitenkommunikation
Laserlinks für die Satellitenkommunikation kommen bei Verbindungen zwischen Satelliten (sog. Inter-Satellite-Link, ISL) sowie zwischen Satelliten und der Erde (sog. Direct-To-Earth links, DTE) zum Einsatz. Abb.1 zeigt Abbildungen der vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation im OSIRIS-Programm entwickelten Systeme CubeLCT, welches für DTE-links ausgelegt wurde, und CubeISL, welches für den ISL-Anwendungsfall weiterentwickelt wurde.
Gut sichtbar ist jeweils die optische Apertur, mit welcher das optische Signal abgestrahlt bzw. vom Kommunikationspartner empfangen wird. Das CubeLCT erreicht Datenraten von Satelliten zur Erde von 100 Mbit/s. Dies stellt für Cubesats, also sehr kleine Satelliten mit wenigen zehn Zentimetern Kantenlänge, einen großen Fortschritt gegenüber den sonst verfügbaren Lösungen im Funk dar, die häufig Datenraten von einigen kbit/s bis zu wenigen Mbit/s bieten. Das System ist mit 10x10x3 cm³ extrem kompakt und kann selbst auf kleinsten Satelliten untergebracht werden.
Das CubeISL System erhöht die mögliche Datenrate zwischen Satellit und Erde auf 1 Gbit/s und ermöglicht 100 Mbit/s für Inter-Satelliten-Verbindungen. Weitere Entwicklungen des DLR, wie beispielsweise OSIRISv3, ermöglichen Datenraten von bis zu 10Gbit/s und mehr [5].
Um die grundlegenden Möglichkeiten der Technologie aufzuzeigen, hat das DLR eine Demonstration durchgeführt, in welcher auf einer Übertragungsstrecke zwischen zwei Punkten auf der Erde eine Datenrate von 13,16 Tbit/s demonstriert wurde [6]. Der optische Kanal war dabei so dimensioniert, dass er den schlechtesten anzunehmenden Fall für eine Verbindung zwischen einer Station auf der Erde und einem geostationären Satelliten darstellt. Datenlinks mit Datenraten im Terabit-pro-Sekunde-Bereich sind besonders für sog. Feeder Links zu geostationären Satelliten attraktiv, wo auf einem einzelnen Übertragungslink sehr große Datenmengen übertragen werden müssen, welche dann vom Satellit weiterverteilt werden. Die Demonstration hat gezeigt, dass die optische Übertragungstechnologie für diesen Anwendungsfall eine gute Lösung sein kann.
Optische Bodenstationen
Das Herzstück ist typischerweise ein Teleskop, welches das empfangene Licht sammelt und mit einem optischen System dem Empfänger zuführt. Abb. 2a + b zeigen die vom DLR entwickelte und betriebene optische Bodenstation Oberpfaffenhofen sowie die Transportable Optische Bodenstation des DLR [7].
Ausblick
Die beschriebenen Anwendungsgebiete optischer Freiraumkommunikation stellen lediglich einen kleinen Ausschnitt dessen dar, was in Forschung und Entwicklung derzeit vorangetrieben wird. Weitere Anwendungsfelder stellt beispielsweise die Navigation dar: Zukünftige Satellitennavigationssysteme sollen mit optischen Uhren ausgestattet werden, um eine präzisere und resilientere Positionierung auf der Erde zu ermöglichen. Entsprechende Forschungsarbeiten laufen derzeit für das vom DLR vorgeschlagene KeplerSystem [8].
Ein anderes vielversprechendes Anwendungsgebiet ist die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) mit optischen Links. Mit QKD-Systemen lassen sich sichere kryptographische Schlüssel zwischen zwei Kommunikationspartnern erzeugen, die – basierend auf physikalischen Prinzipien – nicht abgehört werden können [9].
Literatur
[1] C. Fuchs and F. Moll, „Ground Station Network Optimization for Space-to-Ground Optical Communication Links,“ J. Opt. Commun. Netw., vol. 7, no. 12, pp. 1148–1159, 2015.
[2] J. Horwath and C. Fuchs, „Aircraft to Ground Unidirectional Laser-Comm. Terminal for High Resolution Sensors,” in Free-Space Laser Communication Technologies XXI, Vol 7199, 2009, vol. 7199, no. 7199–1, pp. 67–73.
[3] T. Jono, Y. Takayama, N. Perlot, D. Giggenbach, and others, „Report on DLR-JAXA Joint Experiment: The Kirari Optical Downlink to Oberpfaffenhofen (KIODO),” JAXA, ISSN, pp. 1349–1121, 2007.
[4] D. Tröndle, P. Martin Pimentel, C. Rochow, H. Zech, G. Muehlnikel, F. Heine, R. Meyer, S. Philipp-May, M. Lutzer, E. Benzi, P. Sivac, S. Mezzasoma, H. Hauschildt, M. Krassenburg, and I. Shurmer, „AlphasatSentinel-1A optical inter-satellite links: run-up for the European data relay satellite system,” in Proc. SPIE, 2016, vol. 9739, p. 973902.
[5] C. Fuchs, C. Schmidt, J. Keim, F. Moll, B. Rödiger, M. Lengowski, S. Gaißer, and D. Giggenbach, „Update on DLR’s OSIRIS program and first results of OSIRISv1 on Flying Laptop,” in Free-Space Laser Communications XXXI, 2019, vol. 10910, p. 109100S.
[6] A. Dochhan, J. Poliak, J. Surof, M. Richerzhagen, H. F. Kelemu, and R. M. Calvo, „13.16 Tbit/s free-space optical transmission over 10.45 km for geostationary satellite feeder-links,” in Photonic Networks; 20th ITG-Symposium, pp. 1–3.
[7] C. Fuchs, M. Brechtelsbauer, J. Horwath, A. Shrestha, F. Moll, D. Giggenbach, and C. Schmidt, „DLR’s Transportable Optical Ground Station,” in OSA Technical Digest (online), 2013.
[8] C. Günther, „Kepler–Satellite Navigation without Clocks and Ground Infrastructure,” in Proceedings of the 31st International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2018), pp. 849–856.
[9] F. Moll, J. Krause, N. Walenta, R. Freund, E. Peev, A. Reeves, R. Rüddenklau, A. Ferenczi, L. Macri, S. Häusler, and others, „Link technology for all-optical satellite-based quantum key distribution system in C-/L-band,” in 2022 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), pp. 275–280.
Erstmals erschienen in: TiB Ausgabe 02/2023 MÄR/APR