Technologie

Kleinsatellit erprobt optische Datenkanäle

08.02.2021 - An Bord des Kleinsatelliten PIXL-1 ist das kleinste Laser-Sendeterminal der Welt.

Der Kleinsatellit PIXL-1 ist Ende Januar 2021 vom US-Weltraum­bahnhof Cape Canaveral erfolgreich mit einer Falcon-9-Trägerrakete in die Erdumlaufbahn gestartet. An Bord des Satelliten ist das kleinste Laser-Sende­terminal der Welt: „OSIRIS4CubeSat“ ermöglicht eine bis zu hundertmal schnellere Daten­übertragung als herkömmliche Funkverbindungen und wurde von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in enger Zusammenarbeit mit dem deutschen Tele­kommunikations­unternehmen Tesat mit Sitz in Backnang bei Stuttgart entwickelt. Es liefert eine wichtige Plattform, um wissenschaftliche Frage­stellungen zu untersuchen. Das Laserterminal ist für die Serien­fertigung konzipiert und wird von Tesat unter dem Namen „CubeLCT“ vermarktet.

Die Daten­übertragung per Laser ermöglicht damit in Zukunft einen viel effizienteren Daten­transport über Satelliten. Zudem eröffnet sie auch neue Optionen für die Satelliten­navigation und Quanten­kryptographie. Die Projektpartner wollen in der Satelliten­mission nun demonstrieren, dass die optische Kommunikation vom Weltraum zum Boden selbst auf kleinsten Satelliten realisierbar ist. „Mit OSIRIS4­CubeSat haben wir eine Basis entwickelt, die vielen Missionen in Zukunft neue Möglichkeiten in der Datenrate bieten wird und uns am DLR eine ideale Grundlage für wissen­schaftliche Messungen sowie nächste techno­logische Schritte in wissen­schaftlichen Projekten bietet“, sagt Projekt­leiter Christopher Schmidt vom DLR-Institut für Kommuni­kation und Navigation.

Bisher waren Laser­terminals zu groß, um sie auf kleinen Satelliten­plattformen einzusetzen und wiesen zudem einen zu hohen Leistungsbedarf auf. Der Launch von PIXL-1 eröffnet somit neue Horizonte in der Satelliten­kommunikation und erweitert die Missionsmöglichkeiten für Kleinst­satelliten. OSIRIS4CubeSat sowie das Produkt CubeLCT passen mit ihren Abmessungen perfekt auf kleinste Satelliten, können aber auch an größere Plattformen angepasst werden. Optimiert sind die Systeme für Missions­dauern von fünf Jahren in niedrigen Erdorbits. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat hierzu seine Ergebnisse und Erfahrungen aus rund fünfzehn Jahren Forschung eingebracht. Der Technologiesprung gelingt durch eine starke Minia­turisierung der Technologie – Optik, Mechanik und Elektronik wurden dazu eng verzahnt. „Die Funktionalität und Minia­turisierung, die wir mit CubeLCT erreicht haben, befördert die Kleinst­satelliten in eine neue Fähigkeitsklassen und erlaubt uns Konstellationen anspruchsvollere Aufgaben zuzuweisen“, sagt Christoph Günther, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation.

In der Mission PIXL-1 sollen zahlreiche wissen­schaftliche Ziele untersucht werden. Neben einer grundlegenden Demonstration der Technologie, soll auch der Übertragungs­kanal genauer erforscht werden, um Fehler­sicherungs­mechanismen optimieren zu können. Diese Erkenntnisse sind eine wichtige Grundlage für die internationale Standardisierung der Technologie sowie einer weiteren Steigerung der Datenraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde in zukünftigen Missionen. Dies ist besonders in der Erdbeobachtung gefragt, die immer größere Datenmengen übertragen muss. Neben einzelnen Kleinsatelliten lassen sich diese auch in Mega­konstellationen einsetzen. Dort arbeitet eine größere Zahl an Satelliten in einer Mission zusammen, zum Beispiel bei der weltweiten Verteilung einer Breitband-Internet­anbindung. In den nächsten Entwicklungs­schritten soll die optische Kommunikation so weiterentwickelt werden, dass auch optische Verbindungen zwischen Kleinsatelliten im Weltall möglich werden.

Eine Besonderheit der optischen Kommunikation ist außerdem, dass sie zur Verteilung von Quanten­schlüsseln genutzt werden kann. Mithilfe dieser Technologie kann jede Form der digitalen Kommunikation abhörsicher gemacht werden. Das DLR-Institut für Kommuni­kation und Navigation ist führend in diesem Forschungsbereich und wird die neue Technologie­plattform im All nutzen, um die Quantenschlüssel­verteilung zwischen Sender und Empfänger weiter­zuentwickeln.

Eine große Heraus­forderung bei der laserbasierten Kommunikation sind Wetter­einflüsse, da mit dem Laser nicht durch Wolken übertragen werden kann. Zur Überwindung dieser Einschränkung soll ein weltweites Netz an optischen Boden­stationen aufgebaut werden, die größtenteils an bewölkungs­armen Standorten entstehen sollen. Mit der Vorreitermission PIXL-1 unterstützt das DLR diesen Ansatz und wird in den kommenden Monaten Standorte testen und das Empfangsnetzwerk weiter ausbauen. Die ersten beiden Bodenstationen des Netzwerks werden derzeit vom Deutschen Raumfahrt­kontrollzentrum (GSOC) und einem Industrie­partner an zwei europäischen Standorten aufgebaut. 

Zur Steuerung des Klein­satellit PIXL-1 werden zwei unterschiedliche Frequenz­bänder zur Kommunikation verwendet. Zu Beginn läuft die Laser­kommunikation im Bereich der Ultrakurzwelle, wofür eine neue Antenne des GSOC in Betrieb genommen wurde. Während der eigentlichen Mission arbeitet der Satellit im S-Band, sodass das Kontroll­zentrum dann seine üblichen Boden­stationen nutzen und den Satellit möglichst reibungslos in die Standard­prozesse einbinden kann. Von Oberpfaffenhofen aus steuert das GSOC den Satelliten im Regelbetrieb, konditioniert das Laserterminal und sorgt dafür, dass die Daten bei den Kollegen vom Institut für Kommuni­kation und Navigation ankommen.

DLR / JOL

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