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Laserverbindungen eignen sich hervorragend für Satellitenrelais, aber es gibt zahlreiche Herausforderungen, um sie zur Erde zu bringen

Experten nennen Herausforderungen und Chancen für die optische Kommunikation

Anbieter von Satellitenbodensegmenten neigen dazu, der bodengestützten optischen Kommunikation skeptisch gegenüberzustehen.Laserlinks

Sie zweifeln nicht am Nutzen optischer Intersatellitenverbindungen.

Sie fragen sich lediglich, wie schnell optische Terminals von Unternehmenskunden eingesetzt werden, um Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn mit dem Boden zu verbinden.

„Ich persönlich glaube nicht, dass die optische bis niedrige Erdumlaufbahn wirklich gehen wird“, sagte Rolf Skatteboe, Präsident und CEO von Kongsberg Satellite Systems, dem norwegischen Unternehmen, das 2020 die erste kommerzielle Bodenstation in Griechenland errichtet hat. „Es wird viele Satelliten-zu-Satelliten-Verbindungen geben. Aber interessanter ist die Optik für den Mond und darüber hinaus.“

Skatteboe machte den Kommentar am 15. September während eines Panels der World Satellite Business Week in Paris, wo er feststellte, dass KSAT das erste kommerzielle optische Bodenterminal betreibt.

Swedish Space Corp. ist „auch skeptisch“ in Bezug auf die Geschwindigkeit der optischen Kommunikation, sagte Nick Priborsky, Präsident von SSC Satellite Management Services. „Trotzdem ist es auch wichtig, diese Erfahrung zu sammeln.“

SSC kündigte später am selben Tag Pläne an, seine erste optische Bodenstation in Westaustralien zu errichten.

STAATLICHE FORDERUNG

Warum bauen Unternehmen optische Bodenstationen, wenn sie Zweifel an den kurzfristigen Aussichten der Technologie haben? Zum Teil, weil Regierungsbehörden die Zeche zahlen.

Das optische Bodenterminal des SSC wurde von der Europäischen Weltraumorganisation ESA finanziert. In den Vereinigten Staaten gibt die Space Development Agency der Space Force Milliarden von Dollar für Satelliten aus, die mit optischen Terminals ausgestattet sind, um mit anderen Raumfahrzeugen sowie Luft- und Bodenterminals zu kommunizieren.

Für Regierungsbehörden ist ein Teil des Appells Sicherheit. Optische Signale bewegen sich in einem schmalen Lichtstrahl, wodurch sie schwerer abzufangen oder zu stören sind als Hochfrequenzsignale.

„Sie können den HF-Strahl an den Satelliten senden, den Sie beabsichtigen, aber dahinter im Schatten befindet sich ein anderer“, sagte Shantanu Gupta, Chefingenieur der Aerospace Corp. für optische Kommunikation. „Interferenzen treten auf, weil der [HF-] Strahl 1.000 bis 10.000 Mal breiter ist als der optische Strahl.“

Optische Verbindungen können auch die Übertragung der riesigen Mengen an Erdbeobachtungsdaten beschleunigen, die von Radarsatelliten mit optischer und synthetischer Apertur von Satellit zu Satellit und vom Weltraum zum Boden gewonnen werden.

Nick Priborsky, Präsident von SSC Satellite Management Services. Bild: World Satellite Business Week 2022

„Sie sind an einem Punkt, an dem die Sensoren viel mehr Daten generieren können“, sagte Gupta. „Wenn Sie fette Rohre hätten, um es mit geringer Latenz zu reduzieren, wäre das sehr nützlich, da immer noch der größte Teil der Rechen- und Rechenleistung auf dem Boden ist.“

Insgesamt ist optische Kommunikation „eine großartige Technologie, um Verbindungen mit hoher Datenrate zu ermöglichen und Ausfallsicherheit zwischen Plattformen zu gewährleisten“, sagte Julee Pandya, Senior Manager für Kommunikations- und Netzwerktechnologien bei Lockheed Martin. Wie die HF-Kommunikation sind optische Technologien Werkzeuge, die angewendet werden können, „um ihren Nutzen für einen bestimmten Kundenbedarf und eine bestimmte Anwendung zu maximieren“, sagte Pandya in einem Interview.

Lockheed Martin produziert Satelliten für die Space Development Agency, die mit optischen Terminals ausgestattet sind, die von Tesat-Spacecom, einer Airbus-Tochtergesellschaft der USA, bereitgestellt werden.

ZU WELCHEM PREIS?

Skeptiker zweifeln nicht daran, dass optische Signale Daten in den und aus dem Weltraum übertragen können.

Die japanische Raumfahrtbehörde JAXA stellte 2006 eine optische Verbindung zwischen einer Bodenstation in Tokio und ihrem Optical Inter-Orbit Engineering Test Satellite im erdnahen Orbit her. Die Lunar Laser Communications Demonstration der NASA auf dem Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer-Satelliten schickte 2013 hochauflösende Videos vom Boden in die Mondumlaufbahn.

Auch der Wert optischer Intersatellitenverbindungen wird nicht in Frage gestellt.

„Im Allgemeinen denkt bei Intersatellitenverbindungen fast jeder an optische“, sagte Gupta in einem Interview. „Es kommt fast dorthin, wo es reif ist.“

Die Space Development Agency des Pentagon plant beispielsweise, Hunderte von Transport Layer-Satelliten mit optischen Querverbindungen zu starten, um Bilder und Daten auf der ganzen Welt zu übertragen, sowie RF- und optische Terminals, um sie zum Boden zu senden.

„Sobald Sie Daten auf die Transportschicht gebracht haben, kann ich sie in jedes Waffensystem verschieben, zu dem sie gehen müssen, ich kann die Daten fusionieren“, sagte SDA-Direktor Derek Tournear im Oktober auf dem MilSat-Symposium in Mountain View, Kalifornien.

Das Vertrauensvotum der SDA in die optische Technologie in Verbindung mit der Kaufkraft der Agentur trägt dazu bei, die Kosten für optische Terminals zu senken.

Frühe optische Kommunikationsdemonstrationen wurden von Regierungsbehörden durchgeführt, die maßgeschneiderte Terminals flogen. In den letzten Jahren haben Unternehmen die Kosten für optische Terminals drastisch gesenkt und eine Massenfertigung für die Versorgung von Satellitenkonstellationen aufgebaut.

„Die Herausforderung besteht darin, die Terminals zu wirtschaftlichen Kosten und Zeitplänen herstellbar zu machen, die sich die Systeme leisten können“, sagte David Czajkowski, CEO, Direktor und Mitbegründer von Space Micro, einem Unternehmen, das Anfang des Jahres von Voyager Space übernommen wurde. Space Micro ist mit der Lieferung optischer Terminals an das Space Force Space Systems Command beauftragt.

DIE ERDATMOSPHÄRE DURCHDRINGEN

Während die Unternehmen an der wirtschaftlichen Front stetige Fortschritte machen, weisen Bodensegmentanbieter auf andere Herausforderungen hin.

Wolken und Nebel blockieren optische Signale. Und die Erdatmosphäre verzerrt Lichtwellen und verursacht Schwankungen in ihrer Intensität.

Optische Bodenstation KSAT in Griechenland. Bild: KSAT

Optische Verbindungen „einzurichten und sie zuverlässig arbeiten zu lassen, wenn sich nichts bewegt, ist wirklich eine Herausforderung“, sagte Andrew Ivers, Präsident von Communications and Power Industries, einem Hersteller elektronischer Komponenten, während des World Satellite Business Week-Panels. „Sie in einer schillernden Atmosphäre arbeiten zu lassen, wenn sich alles ein wenig bewegt und Sie sogar mildes Wetter haben, kann ein großes Problem sein.“

Wenn dieses Problem gelöst werden kann, hat die optische Technologie „ein großes, großartiges Zuhause in der Satellitenindustrie“, fügte Paul Gaske, Executive Vice President und General Manager von Hughes Network Systems, hinzu. „Wenn Sie sich die Kapazität ansehen, die Sie benötigen, um einen Satelliten in der Welt [mit hohem Durchsatz] zu erreichen, werden wir 20 Gateways oder 200 Gateways kleinerer Größe einsetzen. Wir tun das, weil wir nicht genug Bits in einem einzigen Stream bekommen können. Aber wenn Sie eine optische Verbindung zum Laufen bringen könnten, wäre das großartig. „

Um die Auswirkungen des Wetters zu verringern, suchen Organisationen sonnige Standorte oder Berggipfel für optische Bodenstationen. Leider bieten diese Standorte nicht immer die notwendige terrestrische Infrastruktur.

„Ich brauche Internetverbindungen zu meinem Gateway“, sagte Kartik Seshadri, Vizepräsident der Hughes Network Systems International Division, in einem Interview. „Ich brauche gute, vielfältige, hochverfügbare Glasfaser zum Internet.“

Um diese Hürde zu nehmen, bauen Unternehmen geografisch verteilte Bodenstationsnetze auf.

„Es kommt auf die Diversifizierung an“, sagte Andrew Csizmar, Senior Director of Small Satellites bei Honeywell, auf der World Satellite Business Week. „Wenn Sie genügend Bodenstationen bekommen, erhalten Sie den Durchsatz, den Sie benötigen, aber es wird auf globaler Basis sein. Bei der Konnektivität geht es dann darum, wie Sie diesen Backhaul zu den Benutzern zurückbringen.“

Honeywell arbeitet mit Skyloom zusammen, um optische Intersatellitenverbindungen für Satelliten der Space Development Agency bereitzustellen, die von York Space Systems gebaut werden.

BEWÄLTIGUNG VON TURBULENZEN

Unternehmen gehen die Verzerrung durch die Erdatmosphäre mit Technologie an.

Atmosphärische Luftströmungen können Rauch oder Wasserdampf tragen, der optische Wellen stört.

Andrew Ivers, Präsident der Kommunikations- und Energieindustrie. Bild: World Satellite Business Week 2022

Um atmosphärische Turbulenzen zu neutralisieren, bestimmen Wellenfrontsensoren den Einfluss der Atmosphäre auf einen Lichtstrahl und verwenden schnell steuernde oder verformbare Spiegel, um die Störung zu kompensieren. Bodengebundene Observatorien verwenden ähnliche Technologien, um die Qualität von astronautischen Bildern zu verbessern.

„Es ist ein Regelkreis“, sagte Gupta. „Man spürt es und korrigiert es mit adaptiver Optik.“

Mit Blick auf die Zukunft untersucht Lockheed Martin nichtmechanische Techniken zur Bewältigung atmosphärischer Turbulenzen.

„Wir wollen weg von Dingen, die schwer herzustellen und zu integrieren sind“, sagte Pandya. „Für die Zukunft ist eine nichtmechanische Lösung vorgesehen, um die Gesamtzuverlässigkeit einiger dieser Systeme zu verbessern und Größe, Gewicht und Leistung zu reduzieren.“

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Novemberausgabe 2022 des SpaceNews-Magazins unter dem Titel „Walking a Narrow Beam: Laserlinks sind großartig für Satellitenrelais, aber es gibt zahlreiche Herausforderungen, um es zur Erde zu bringen“.

 

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