Datenübertragung per Laser über 36.000 Kilometer im All

Laserstrahlen im All haben am 28. November 2014 zum ersten Mal eine Distanz von ca. 36.000 Kilometern, vergleichbar einer Reise von Berlin nach Wellington und zurück, überbrückt – dabei haben sie innerhalb weniger Sekunden Satellitenbilder der Erde zu einen Relais-Satelliten und auch wieder zurück zur Erde gesendet.

Die beiden Satelliten, die diese Daten mithilfe einer neuartigen Lasertechnologie ausgetauscht und zur Erde transportiert haben, sind der europäische Kommunikationssatellit Alphasat I-XL, seit Juli 2013 im geostationären Orbit in 36.000 Kilometern Höhe, und der europäische Erdbeobachtungssatellit Sentinel-1A, der seit April 2014 in etwa 700 Kilometern im so genannten erdnahen Orbit die Pole umkreist.

Laser-Datenlink: High-Tech vom Feinsten, made in Germany

Die Technologie für den wegweisenden Datenlink stammt aus Deutschland: Das so genannte Laserkommunikations-Terminal (LCT, im Titelbild) wurde vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und federführend von der Tesat-Spacecom GmbH entwickelt. Solche Laserterminals sind beim DLR auch schon als mobile Stationen gestestet worden.

„Wir zeigen hier Hightech vom Feinsten mit einer Technik made in Germany. Das ist ein großer Erfolg. Für mich ist diese Übertragung auch ein entscheidender Meilenstein für EDRS, die europäische Datenautobahn im All, einen Express-Highway. Mit Laserstrahlen werden riesige Datenpakete von einem Satelliten zum anderen und von dort zur Erde gesendet. Die Datenrate ist dabei 30 Mal höher als heute üblich“, verdeutlicht Dr. Gerd Gruppe, Vorstand des DLR Raumfahrtmanagements. „Mit diesem Nachweis sind wir der Fertigstellung und Nutzung des weltweit leistungsfähigsten Datenrelais-Systems einen bedeutenden Schritt näher gekommen.“

Mit der LCT-Technologie sollen in Zukunft rund um die Uhr deutlich höhere Datenmengen ohne Zeitverzug übertragen werden. Damit soll das Speichern großer Datenmengen überflüssig gemacht werden, die Nutzer sollen schneller auf die Informationen zugreifen können. „Das ist zum Beispiel für viele Umwelt- und Sicherheitsüberwachungen wie das europäische Copernicus-Programm relevant“, erklärt DLR-Projektmanager Rolf Meyer.

Sentinel-1A sendet über geostationäres Relais zum DLR

EDRS (European Data Relay System) ist ein Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, bei dem die Laserkommunikationstechnologie auch genutzt wird. Auf Alphasat I-XL (zweites Bild) ist dazu ein Prototyp des LCT installiert. Als „Gegenstation“ fungiert der ESA-Erdbeobachtungssatellit Sentinel-1A. Das LCT auf Alphasat und Sentinel-1A (drittes Bild) kann Datenmengen von bis zu 1,8 Gigabit pro Sekunde über eine Distanz von bis zu 45.000 Kilometern transportieren. „Das entspricht 180 DVDs pro Stunde“, erklärt Rolf Meyer.

„Verglichen mit dem ersten Laser-Link, der 2001 von einem geostationären zu einem erdnahen Satelliten geschickt worden ist, ermöglicht die LCT-Technologie eine 30-fache Datenrate bei einem Drittel des Gewichtes und einem halb so großen Teleskop“, schildert Rolf Meyer. EDRS soll zunächst aus zwei geostationären Kommunikationssatelliten mit Datenrelais-Stationen bestehen. Diese sollen Daten von kleineren erdnahen Satelliten, wie etwa den Sentinels, aufnehmen und rund um die Uhr zu den EDRS-Empfangsstationen senden.

Derzeit können Beobachtungsdaten von Satelliten aus dem erdnahen Orbit immer nur dann gesendet werden, wenn der Satellit tatsächlich über eine Station fliegt. Bis zu diesem Moment müssen die gespeichert werden und stehen dem Nutzer damit nicht zur Verfügung. EDRS wird somit auch als europäische „Datenautobahn im All“ bezeichnet.

Technologien für höhere Datenraten

Alphasat I-XL ist dabei fest im geostationären Orbit „geparkt“ und kann kontinuierlich Datenpakete zu seiner Empfangsstation beim DLR in Oberpfaffenhofen senden. Sentinel 1 umkreist die Erde über den Polen und kann mit den bisher genutzten Verfahren nur dann Daten übertragen, wenn er eine seiner Empfangsstationen überfliegt. Durch den LCT-Datenlink können die Sentinel-Daten über Alphasat fast ohne Zeitverzug zur Empfangsstation gesendet werden.

Der Brückenkopf zu dem geostationären Relais-Satelliten ist seine Empfangsstation beim Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum des DLR in Oberpfaffenhofen. Während die Kommunikation zwischen den Satelliten auf LCT-Technologie beruht, werden die Daten von Alphasat I-XL per Mikrowellen zur Empfangsstation gesendet. „Auch hier kommen neue Technologien zum Einsatz.

Die für diesen Zweck installierte Antenne arbeitet im Ka-Band mit einer Frequenz von 26 Gigahertz und damit bei deutlich höheren Frequenzen als bisher für diese Art der Übertragung üblich“, berichtet Erhard Diedrich, verantwortlich für die Alphasat-Bodenstation beim DLR. Gleichzeitig werden Mikrowellen kaum von der Erdatmosphäre gestört und erlauben einen störungsfreien, wetterunabhängigen Empfang.