Die Crux mit den Konstellationen

Ich möchte heute mal meine Einwände zu den geplanten Satellitenkonstellationen auf technischer Seite formulieren. Es gäbe natürlich noch andere Sichtweisen, wie die organisatorische (wie lange brauche ich um die Konstellation aufzubauen, welchen Aufwand muss ich auch im Bodensegment treiben) und natürlich wirtschaftliche. Doch ich fange mal mit der Konkurrenz an, den etablierten geostationären Satelliten.

Die Evolution von geostationären Satelliten

Alles begann mit dem Early Bird, noch von der NASA finanziert. Er wurde später an Intelsat übertragen, die ihn nachbauen lies. Die Fähigkeiten wuchsen dann an, es wurden immer mehr Telefongespräche oder Fernsehkanäle gleichzeitig möglich und die kosten für die Nutzer sanken. Die INTELSAT IV Generation hatte dann schon Antennen, die nicht mehr die ganze Erde abdeckten, sondern einzelne Kontinente. Das erhöhte die Empfangsstärke.

Symphonie 1+2, die beiden deutsch-französischen Satelliten läuteten dann ein neues Zeitalter ein. Nicht nur als erste Konkurrenz zum internationalen (aber von den USA dominierten) Konsortium Intelsat, sondern auch der Beginn der Regionalsatelliten. Sie sollten nicht mehr Kontinente verbinden, stattdessen Services in Europa bereitstellen, später wurde einer nach Indien verschoben. Dazu gehörten zahlreiche Innovationen, die heute jeder geostationäre Satellit hat wie ein ausfahrbarer Solargenerator, Apogäumanstrieb mit flüssigem Treibstoff, Dreiachsenstabilisierung. Vor allem aber Parabolantennen die viel besser die Signal bündeln. Damit konnte man das Empfangsgebiet stärker eingrenzen. Das hat mehrere Vorteile. Zum einen verteilt sich das Signal auf eine kleinere Fläche. Man braucht also eine viel kleinere Empfangsantenne für dieselbe Signalstärke über dem Hintergrundrauschen. Zum zweiten kommen sich so mehrere Satelliten nicht ins Gehege, wenn sie verschiedene Gebiete abdecken. Vor allem aber kann man so eine Frequenz mehrfach nutzen, wenn der Empfangsbereich jeweils ein anderer ist.

Geostationäre Satelliten haben zwei zugewiesene Frequenzbänder, die sie nützen dürfen. Zwischen 4 und 6 GHz im C-Band und zwischen 12 und 14 GHz im K-Band. Rechnet man mit einer Codierung von 1 Bit/Hz Frequenz, sind das bei insgesamt 4 GHz Bandbreite maximal 4 GBit/s. Wahrscheinlich durch effiziente Codierung etwas besser, andererseits muss man auch Lücken zwischen jedem Transponder lassen, um Störungen zu vermeiden. Ein Transponder mit einer Bandbreite von 30 MHz kann man heute für etwa 1 Million Dollar pro Jahr mieten.

In den Achtzigern startete mit Astra dann die Ära der Direktfernsehsatelliten. Mit noch größeren Parabolantennen deckten diese Satelliten nun nicht mehr Europa sondern nur noch einen Teil Europas ab, dazu kamen stärkere Sender. Als Folge schrumpfte die Größe einer Empfangsantenne von 3 m, und damit Anschaffungskosten von rund 20.000 DM auf 90 cm und Anschaffungskosten von 1.000 DM, heute sind sogar bei noch kleineren Beams noch kleinere Antennen ausreichend. Heute kann ein Satellit mit einer 3 m großen Sende-/Empfangsantenne einen Winkel von 0,5 Grad im K-Band eingrenzen, das sind beim Äquator nur noch ein Gebiet von 180 km Durchmesser, zu den Polen hin nimmt der Durchmesser zu.

Mit dem Internet begann auch die Nutzung von Satelliten als Relay. Dabei erfolgte anfangs der Downstream über den Satellit, der Upstream aber meist über das terrestrische Netz, also die Telefonleitung. Das hatte mehrere Gründe. Zum einen sparte man sich so einen Teil der Zeitverzögerung ein – im minimalen Fall geht das Signal einmal in 36.000 km Distanz und wieder zurück, was rund 0,4 s dauert. Bei einer Anfrage und Antwort fällt diese Verzögerung zweimal an, einmal beim Senden der Anforderung und einmal beim Empfang der Antwort. Daneben war es anfangs so, dass die Daten im Upstream relativ gering waren – Emails, HTTP-Anfragen. Heute gibt es natürlich immer noch Internet über Satellit, aber symmetrisch, also auch der Upstream über Satellit. Heute wird viel mehr im Upstream übertragen. In die Cloud oder auf Instagramm Fotos. Dank größerer Empfangsantennen ist das kein Problem.

Der größte Vorteil eines geostationären Satelliten ist, dass er ein Gebiet dauerhaft, 24 Stunden am Tag versorgen kann. Mit mehreren Antennen kann man das relativ genau eingrenzen.

Der Nachteil ist, dass er erst mal in den geostationären Orbit kommen muss. Vergleichen mit dem LEO-Orbit sinkt schon die Nutzlast in den Transferorbit auf einen Bruchteil ab. Dann braucht der Satellit noch weiteren Treibstoff, um den Geo Orbit zu erreichen und auch dort ist kein Ende. Die Position ist nicht stabil, das ungleichmäßige Gravitationsfeld führt dazu, dass man laufend nachkorrigieren muss. Bei 12 bis 15 Jahren Betriebsdauer, wie sie heute Standard sind, besteht der Satellit zu 2/3 aus Treibstoff und Antriebssystem. Trotzdem braucht er große Antennen, wenn die Empfänger (für Endnutzer) klein sein sollen. Die wiegen viel. Die größte Einschränkung für die Nutzung als Internetterminal ist aber die große Distanz und damit die Signalverzögerung, Bei der Übermittlung von Fernsehsignalen ist das weitaus weniger störend und zudem benötigt man dort keinen Rückkanal und kann beliebig viele Benutzer mit den gleichen Daten versorgen, während sich sonst die Nutzer die Bandbreite teilen müssen. Daher ist das noch immer die vorherrschende Nutzung geostationärer Satelliten.

Mittlere Orbits

Daher gibt es schon einige Konstellationen im mittleren Orbit – immerhin noch 6.000 bis 8.000 km hoch. Dann kommt man nicht mit einem Satelliten aus. O3B besteht aus 16 Satelliten von nur 700 kg Masse in 8.000 km Höhe. Das ist mehr als viermal näher – mit kleinerer Signalverzögerung. Trotzdem deckt jeder Satellit in dieser Höhe noch ein großes Gebiet ab. O3B hat als Kunden zum einen Airlines und die Schifffahrt und zum anderen Ländern rund um den Äquator, denn die Satelliten umkreisen die Erde wie die geostationären Satelliten äquatorial. In dieser Höhe würde eigentlich wie im geostationären Orbit ein Satellit alle 180 Breitengrade ausreichen, um eine kontinuierliche Abdeckung zu gewährleisten. Es sind mehr, um mehr Bandbreite zur Verfügung zu stellen und weil der Empfang besser ist wenn sich der Satellit nahezu senkrecht über der Empfangsstation befindet. O3B nutzt die Nähe, um in das höherfrequente Ka-Band zwischen 26,5 und 40 GHz zu wechseln. Je höher ein Frequenzband ist, desto kleinere Antennen braucht man für ein gegebenen Abstrahlwinkel oder eine Vorgabe an Signalabstand über dem Hintergrundrauschen. Als Nebeneffekt gibt es mehr Bandbreite in höheren Bändern. Allerdings ist auch die Signalabschwächung durch die Atmosphäre, vor allem Wasserdampf höher. Das obere Ka-Band nutzen auch alle LEO-Konstellationen.

Hinsichtlich der Eigenschaften sind so mittlere Orbits ein Zwitter zwischen den Anforderungen. In 8.000 km Höhe ist die Verzögerung schon viermal kleiner – hin und zurück unter 200 ms. Andererseits bewegt sich der Satellit so langsam über den Horizont, dass man ihn viel leichter mit einer mechanisch drehbaren Antenne verfolgen kann als im geostationären Orbit. Eine Passage von Horizont zu Horizont dauert knapp 6 Stunden.

Leo Konstallationen

Machen wir einen Sprung zu den LEO-Konstellationen. Oneweb wird ihre Satelliten in 1100 bis 1200 km Höhe platzieren. Es gibt ja schon solche Satellitenflotten in ähnlichen Orbits. Iridium in 780 km Höhe mit 77 Satelliten, davon 66 aktiv, Globalstar in 1414 km Höhe mit 24 Satelliten. Man sieht – je höher der Orbit, desto weniger Satelliten braucht man. Technisch muss für eine dauerhafte Verbindung ein Satellit über dem Horizont aufgehen, wenn der Letzte gerade hinter dem Horizont verschwindet. In der Praxis eher etwas früher, weil nahe des Horizonts zum einen Hindernisse sein können (Berge, Nachbarhäuser) und zum anderen am Horizont wegen Reflexionen und der dichteren Atmosphärenschicht der Empfang schlecht ist. Bei Iridium kann man erst oberhalb 8.2 Grad über dem Horizont einen Empfang gewährleisten, dieser Winkel steigt zum Pol hin auf 20 Gad an. In 1200 km Höhe entspricht Anteil der Erdoberfläche, in dem ein Satellit sichtbar ist, einem Winkel von fast 66 Grad. Sechs Satelliten pro Bahn würden also ausreichen für eine Abdeckung einer Bahnebene. Eine Bahnebene ist aber noch keine komplette globale Abdeckung. Die Erde rotiert einmal in 24 Stunden. Jeder Satellit passiert einen Punkt zweimal am Tag, einmal, wenn er auf der Sonnenseite ist und einmal auf der Nachtseite. Bei 66 Grad Breite des Empfangsgebietes (gemessen als Winkel, entsprechend ~ 7300 km auf der Erdoberfläche braucht man dann mindestens drei Bahnebenen. Zusammen ohne Reservesatelliten also 18 Satelliten. Die Größenordnung ist die gleiche wie bei Globalstar in etwas höherer Bahn.. Wobei die Angaben immer von Horizont zu Horizont sind, wie schon geschrieben ist es sinnvoll, wenn sich die Empfangsgebiete überlappen, wodurch man mehr Satelliten braucht.

Doch 700 Satelliten sind nicht einige Reservesatelliten mehr, sondern etliche mehr. Warum so viele?

Es gibt eine Reihe von Gründen. Wie schon geschrieben ist der Empfang am besten, wenn der Satellit nahe des Zenits ist. Dann ist auch das elektronische Schwenken der Antenne einfacher. Sendeantennen werden Phased array Antennen sein, die nicht mechanisch dem Satelliten nachgeführt werden, sondern elektronisch geschwenkt werden. Bei Radarantennen, die nach diesem Prinzip funktionieren, kann man den Winkel um maximal 60 Grad ändern, wirtschaftlich sind Winkel kleiner 30 Grad. 30 Grad sind aber nur ein Sechstel der Hemisphäre von 180 Grad. Also benötige ich pro Bahnebene die sechsfache Satellitenzahl und da dies auch für die Breite also Abweichung in Ost-Westrichtung gilt (bei einer Passage nicht direkt über dem Empfangspunkt, sondern etwas westlich oder östlich) auch entsprechend mehr Bahnebenen, dann komme ich leicht auf 18 x 6² = 648 Satelliten, was ziemlich exakt die Satellitenanzahl von Oneweb ist. Als Vorteil muss ein Satellit aber dann auch nur ein Gebiet von 30 Grad Breite abdecken, so kann der Sender viel leistungsschwächer sein, und da dies immer um die Zenitposition herum ist, ist auch die Abschwächung durch Wetterphänomene nicht so stark.

Das zweite ist, das jeder der nun kleinen Satelliten nur eine begrenzte Kapazität hat. Denn natürlich wird ein 200 kg schwerer Satellit nicht die Kapazität eines 1,5 t schweren geostationären Satelliten haben.

Daneben müssen die Daten auch an eine Bodenstation gesendet werden, dort müssen sie ja ins normale Internet eingespeist werden. Es gäbe zwei Lösungen für das Problem. Zum einen reichen, wenn man die Bodenstationen mit großen, beweglichen Antennen ausstattet, 18 Stück, wenn sie an den richtigen Stellen sind. Dann würden die Daten von einem Satelliten zum nächsten übertragen werden, bis sie bei dem ankommen, der am nächsten zur Bodenstation ist, der dann natürlich einen leistungsfähigen Downlink hat, denn er muss die Daten von bis zu 36 Satelliten übermitteln. Dann muss eine Bodenstation aber nur einen Satelliten tracken. Alternativ baut man mehrere Antennen um mehrere Satelliten zu tracken, man wird nicht jeden Satelliten verfolgen können, und das dauernde Schwenken bei so vielen Satelliten auf den jeweils nächsten Satelliten ist auch nicht praktikabel. Der Satellit benötigt dadurch aber trotz seiner kleinen Masse dann eine zweite Kommunikationsausrüstung mit hoher Kapazität zur Bodenstation zusätzlich zu den Endnutzern.

SpaceX will zwei Ebenen etablieren. Eine erdnahe in rund 400 km Höhe – nah am Kunden, reduziert die Kosten für Hardware beim Kunden und erhöht die Datenrate bei gleicher Sendeleistung, dafür aber vielen Satelliten und einer zweiten Ebene in der Höhe von OneWeb, die wohl vor allem für die Übertragung der Daten zur Bodenstation zuständig ist. Dort wird auch ein für den Satelliten-Satelliten-Kommunikationsweg ein sehr hochfrequentes Band eingesetzt, das auf der Strecke Erde-Satellit wohl ziu stark gedämpft würde.

Die Wirtschaftliche Crux

Der Riesenunterschied zwischen einem geostationären Satelliten und der Flotte ist der, das ein geostationärer Satellit einen Transponder verkauft, der eine bestimmte Region mit einer bestimmten Datenrate dauerhaft versorgt. Sobald man die meisten Transponder verkauft hat, ist der Satellit wirtschaftlich. Sie werden ja auch nach Bedarf gebaut und gestartet. Dabei orientiert man sich nach der Nachfrage. Ein Satellit, der bei etwa 10 Grad Ost steht, kann z.B. Deutschland versorgen, aber auch Norwegen oder Libyen oder die Antarktis. Es wird aber sicher mehr Kunden in Deutschland geben als in der Antarktis. 70 % der Erdoberfläche sind Wasser oder Eis. Da gibt es natürlich auch dicht besiedelte Regionen an der Küste oder auf Inseln wie Japan. Doch der Großteil der Ozeanfläche ist kaum besiedelt. Ein geostationärer Satellit kann sich die Regionen aussuchen, die gut besiedelt sind und wo es genügend zahlende Kunden gibt. Eine Flotte bietet zwar anders als ein geostationärer Satellit eine weltweite Abdeckung an, aber der springende Punkt. Die Kunden in dicht besiedelten Gebieten zahlen im Prinzip für eine Satellitenabdeckung der ganzen Erdoberfläche mit. Mehr noch: Je mehr Kunden es in einem Gebiet wird, desto kleiner wird die verfügbare Bandbreite pro Kunde. Auf der anderen Seite gibt es die meisten potenziellen Kunden zwar in heute noch nicht gut erschlossenen Gebieten, für die es auch keine Satellitenabdeckung mangels Nachfrage gibt, aber diese haben selten die Kaufkraft für diese Technologie. Bevor jemand mit den Funklöchern in Deutschland kommt: über geostationäre Satelliten kann man schon seit 15 Jahren Internet haben, zu konkurrenzfähigen Preisen, dafür braucht man keine Flotte, was mein Hauptargument bestätigt.

Telesat, ein weiteres Start-up setzt daher wie Globalstar auf eine andere Strategie. Globalstar unterscheidet sich von Iridium nicht nur in der Bahnhöhe und Satellitenzahl. Die Bahnen sind auch nur 52,4 Grad zum Äquator geneigt. Warum die polnahen Regionen abdecken, wenn dort keiner wohnt? Telesat hat 60 Satelliten in polaren Bahnen und weitere 50 in 37,4 Grad geneigten Bahnen. Diese decken den Bereich bis in mittlere Breiten, ab. Dort sind viele der bevölkerungsreichen Länder Südamerikas und Asiens. Man konzentriert sich also auf den Bereich, der auch wirtschaftlich sinnvoller ist. Der Vorteil: Die Empfangszonen überlappen sich stärker je kleiner die Bahnneigung ist, die Abdeckung ist besser.

Daneben brauche ich auch zunehmend mehr Bodenstationen zum Empfang mit mehr Satelliten. Die noch dazu wenn man nicht extrem lange und Bandbreite verschlingende Satelliten-Satellitenübertragungen haben will, gleichmäßig über den Globus verteilt sein müssen. Das Letztere ist sowieso ein Idealzustand, vor allem im Pazifik gibt es große Gebiete ohne das weit und breit auch nur eine kleine Insel ist.

Ich sehe das wie bei Iridium als ein Vabanque-Spiel. Man muss erst ein Netz aufbauen, um zu sehen, ob es wirtschaftlich ist. Vorher kann man nur über potenzielle Nutzerzahlen spekulieren. Bei Iridium waren es schließlich nur ein Bruchteil der potenziellen Nutzer was die Firma an den Rande des Bankrotts brachte. Und genau die Gefahr sehe ich auch bei OneWeb und Starlink. Je größer die Investitionskosten sind, desto höher die Chance des Scheiterns. OneWeb sollte dieses Jahr mit den ersten Starts beginnen. In einigen Jahren wissen wir mehr. Nach diesem Autor ist das vermeintlich kleinste System von Teledisc zumindest das effektivste System.