Laserkommunikation mit Satelliten
Neue optische Bodenstation am DLR-Standort Oberpfaffenhofen eingeweiht.
Satelliten werden zunehmend zu Knoten des Internets. Während terrestrische Knoten über Glasfasernetze eingebunden sind, können Satelliten mit aktuellen Entwicklungen nur dann mithalten, wenn sie ebenfalls optisch vernetzt werden. Programme der europäischen Kommission wie die Secure Connectivity Initiative stützen sich ebenso auf diese Technologie wie eine Vielzahl kommerzieller Netzwerke wie Starlink oder Oneweb, die mit ihren nächsten Generationen ähnliche Entwicklungen anstreben. Im Zentrum der Überlegungen stehen dabei optische Satellitenlinks. Optische Verbindungen werden zudem nicht nur für Kommunikationsnetzwerke in Betracht gezogen, sondern auch für die Quantenverschlüsselung. Das DLR betreibt seit vielen Jahren experimentelle Bodenstationen, um diese Technologien voranzutreiben. Am 12. Oktober wurde eine neue leistungsstärkere Bodenstation am DLR-Standort Oberpfaffenhofen eingeweiht.
Das Kernstück der neuen optischen Bodenstation ist ein neues Teleskop mit achtzig Zentimetern Durchmesser in einer Coudé-Anordnung, bei der das Licht des Teleskops über Spiegel direkt in ein Labor darunter geführt wird. Dies ermöglicht völlig neue Experimente, die in dieser Form bislang nicht durchgeführt werden konnten.
Optische Verbindungen zwischen Satelliten und den Empfangsstationen am Boden, wie sie bei der Anbindung von Kommunikationssatelliten an das Internet oder bei der Datenübertragung von Erdbeobachtungsatelliten an deren Daten-Prozessierungszentren eingesetzt werden, sind mit dem nötigen Weg durch die Atmosphäre eine besondere Herausforderung. Temperaturschwankungen in der Atmosphäre führen zu einer Verzerrung der optischen Satellitensignale, die Übertragungsfehler bewirken können.
Die neue Bodenstation erlaubt es, diese Phänomene genauer als bisher zu untersuchen, um Verfahren für eine fehlerfreie Übertragung auch unter schwierigen Bedingungen zu erreichen. So zielen die Arbeiten des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation sowohl darauf ab, Signale am Boden bestmöglich empfangen zu können, als auch die Sendesignale der Bodenstation so vorzuverzerren, dass sie den Satelliten im All möglichst ungestört erreichen. In bodennahen Versuchen konnte das Institut bereits 2016 eine Übertragungsrate von 1,72 Terabit pro Sekunde erreichen und 2017 eine Übertragungsrate von 13.2 Terabit pro Sekunde realisieren. Diese Datenrate würde ausreichen, um ganz Westeuropa mit einer schnellen Internetanbindung zu versorgen. Mit der neuen Bodenstation sollen solche Versuche nun auch mit Satelliten durchgeführt werden.
Eine genaue Entzerrung des Satellitensignals ist zudem eine Grundvoraussetzung, um Quantenschlüssel aus dem All möglichst effizient verteilen zu können. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat dazu erfolgreiche Vorarbeiten geleistet und bereits im Jahr 2013 zusammen mit der Uni München erfolgreiche Übertragungsversuche von einem Flugzeug zum Boden durchgeführt.
Satellitennavigationssysteme wie das europäische Galileo und das amerikanische GPS sind bereits heute als unabdingbare Infrastrukturen im alltäglichen Leben und in der Wirtschaft verankert. Um die Zeitsignale der Satelliten zu synchronisieren und die Satellitenbahnen zu bestimmen, muss heute ein komplexer Prozess auf der Basis von Messungen einer Vielzahl von Sensorstationen am Boden ablaufen. Am DLR wurde mit Kepler ein neuer Ansatz entwickelt, bei dem optische Verbindungen zwischen Navigationssatelliten eingesetzt werden. Diese optischen Verbindungen werden genutzt, um die Satelliten direkt zu synchronisieren und um die Bahnen mit nur zwei Bodenstationen exakt zu bestimmen. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Vereinfachung des Systems, sondern auch zu einer erheblich verbesserten Genauigkeit
Der Kepler-Ansatz hat das Potenzial, die zukünftige Automatisierung im Verkehr durch hochpräzise Ortsdaten deutlich zu erleichtern. Zudem wäre das System kaum noch anfällig für Störungen, die heute etwa in Kriegs- und Krisengebieten willentlich herbeigeführt werden. In diesem Kontext wird die neue Bodenstation wertvolle Beiträge für die Validierung der DLR-Konzepte liefern.
DLR / RK
