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Der DSN Satellit

Heute senden die meisten Raumsonden ihre wissenschaftlichen Daten im X-Band zur Erde: Sie Senden dann bei 8,4 GZ und empfangen bei 7,1 GHz. Erprobt wird derzeit das Ka Band mit Downlinkfrequenzen von 26,5 bis 27,4 GHz. (Downlink: Weg von der Sonde zur Erde). Es gibt dabei eine Problematik: Je höher die Wellenlänge von Radiowellen ist, desto stärker die Abschwächung durch die Atmosphäre. Satelliten benutzen für Satellitenfernsehen schon seit langem nur den unteren Bereich des Frequenzbandes von 11-14 GHz für den Downlink und den oberen nur für leistungsfähige Empfangsstationen oder den Uplink. (Uplink: Daten die von der Erde an die Sonde gesendet werden). Auch die NASA scheint sehr langsam die Umrüstung des DSN (Deep Space Network) auf das Ka Band anzugehen, obwohl seit 2001 Sender dafür an Bord von Raumsonden vorhanden sind. Viel langsamer als die schnelle Umstellung Mitte der siebziger Jahre vom S-Band (2,1/2.3 GHZ) auf das X-Band (7,3/8,4 GHz). Tests mit der Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter, der beide Systeme an Bord hat, ergaben, dass die Problematik des Wetters gegeben ist. Je höher eine Funkfrequenz ist, desto empfindlicher reagiert sie auf Spurengase in der Atmosphäre, die Strahlung absorbieren. so geht die NASA beim X-Band von einer Verfügbarkeit über 97% aus. Beim Ka-Band wird diese wahrscheinlich auf 80% beschränkt werden, da das Wetter zu starken Einbrüchen im Bereich von Minuten bis Stunden führt. Das bedeutet in der Praxis das Daten zwischengespeichert und beim nächsten Kontakt erneut übertragen werden müssen, wenn die beim ersten Mal nicht gelang. Trotzdem gilt das Ka-Band als die Zukunft. Beim MRO hat das Ka Band trotz ineffizienterer TWTA (Travelling Wavetube Amplifiers: Die Standard Verstärker bei Satelliten) eine Eingangsleistung von 80 Watt und kann bis zu 4,25 Mbit/s übertragen, während es beim X-Band bei 172 Watt Eingangsleistung nur 3,25 MBit/s sind. Die Sendeleistung differiert mit 35 zu 100 Watt sogar noch stärker.  (A Comparison of the Ka-Band Deep-Space Link with the X-Band Link through Emulation)

Allerdings zeigt sich die Abschwächung auch darin, dass der theoretische Gewinn weitaus höher liegen müsste. Die Raumsonden senden bei 31,8 bis 32,3 GHz. Da die überstrichene Fläche quadratisch mit der Frequenz abnimmt und damit bei gleicher minimaler Empfangsstärke die Datenrate quadratisch ansteigt wäre eigentlich nicht eine Datenrate von 12,8 MBit zu erwarten. Schon hier sieht man den steigenden Einfluss der Atmosphäre, der sich bei den schwachen Signalen viel stärker auswirkt (die DSN Antennen können noch Signale mit -160 dbi empfangen und eine Raumsonde die vom Jupiter sendet hat, hat ein um -87 dbi geringere Leistung pro Fläche als ein geostationärer Satellit) 2004 ging man noch von einem Gewinn um den Faktor 4 bis 7 aus. Musste diese Erwartungen aber zügeln (MRO weist einen Gewinn um den Faktor 4,3 auf). 10 dbi entsprechen einem 10 mal schwächeren Signal. 87 dbi somit fast einem 1 Milliarde-mal schwächeren Signal.

Die Idee für den DSN-Satelliten

ATS-6Im Weltall spielt die Atmosphäre keine Rolle und man kann noch höhere Frequenzen nutzen. Im folgenden einige Spekulationen, spekulativer als sonst bei mir, weil ich mich weder gut bei Kommunikationssatelliten noch überhaupt in der Hochfrequenztechnik auskenne. Erst mal: Welches Band kann man benutzen? Der Übergang von Radiowellen zu thermischen Infrarot beginnt etwa bei 1 mm Wellenlänge, also rund 300 GHz. Genutzt werden heute Frequenzen bis zu 98 GHz bei Wetterradar (kurze Reichweite) und experimentell wurde der Funk mit 60 GHz zwischen zwei Satelliten erprobt. Es gibt heute TWTA Verstärker bis zu 50 GHz. Darüber hinaus wird es schwierig geeignete Sender und Empfänger mit hoher energieausbeute zu finden. Da eine Verdopplung der Frequenz eine Halbierung des Öffnungswinkels bewirkt bedeutet dies bei gleichem Durchmesser von Sende- und Empfangsantenne eine viermal höhere Datenrate oder eine der beiden Antennen kann nur den halben Durchmesser aufweisen.

Eine 10 m Antenne die bei 60 GHz empfängt ist somit leistungsfähiger als eine der 70 m Antennen des DSN (bei gleichen Empfängern). Dazu kommt noch im Weltall wesentlich weniger Störungen durch Wetter, naheliegende irdische Störungen oder Satelliten im erdnahen Orbit die das gleiche Frequenzband nutzen.

Wie könnte ein Satellit aufgebaut sein?

Wie groß kann eine Antenne sein? Nun wenn sie zusammengebaut wird beliebig groß, doch wenn sie in einem Stück gestartet wird, dann kommen nur entfaltbare Antennen wie bei Galileo (Bild unten), ATS-6 und TDRS 1-3 in Frage. Diese werden wie ein Regenschirm aufgespannt und sie sind besonders leicht. Die Antenne von TDRS hatten 4,90 m Durchmesser und wogen nur 24 kg. Sie sind etwas außer Mode gekommen, allerdings weniger weil die von Galileo sich nicht entfaltete (das lag am Transport per Truck über 16.000 km und den Erschütterungen die das Schmiermittel bei einer Strebe zum Auslaufen brachten) sondern weil man heute eher stärkere Sender nimmt, als den Antennenstrahl zu verkleinern. Die größte bisher gebaute entfaltbare Antenne war die von ATS-6 mit 9,14 m Durchmesser. (Bild links)

Eine solche Antenne kann maximal die nutzbare Höhe der Nutzlasthülle als Radius aufweisen. Bei einer Ariane 5 beträgt diese 17,00 m bei der großen Nutzlastverkleidung. Sie kann noch um 2,00 m durch Bänder verlängert werden. Zieht man 1 m für den nicht nutzbaren Platz in der Spitze und 3 m für den Satellitenkörper ab, so bleiben 15 m, das ist auseichend für eine Antenne von 30 m Durchmesser. Eine 30 m Antenne mit Empfängern bei 60 GHz wäre so leistungsfähig wie eine 214 m Antenne im X-Band!

Das Gewicht? Ich vermute mal weil steigendem Durchmesser nicht das Gewichts des Netzes ansteigen wird, es verhält sich wie bei Teleskopen wo gilt: Doppelter Durchmesser = Sechsfaches Gewicht (2,58). Demnach würde eine 30 m Antenne rund 2.600 kg wiegen - durchaus ein Gewicht das für einen Kommunikationssatelliten noch tragbar ist. Eine Ariane 5 könnte rund 6000 kg in den GEO Orbit befördern (mit Apogäumsantrieb). Da wöge die Antenne dann rund die Hälfte des Satelliten.

Zielorbit

Der Orbit: Prinzipiell ist jeder Orbit geeignet. Je höher er ist, desto länger kann der Funkkontakt dauern. Ein Satellit könnte sich daher auch in einer erdnahen Bahn befinden, wegen der großen Antenne aber dann doch schon in rund 2000 km Höhe. Besonders geeignet wären zwei Bahnen: Der geostationäre Orbit vereinfacht die Kommunikation mit der Bodenstation und die Erde hat nur noch eine Größe von rund 21 Grad. Ein einzelner Satellit hätte also selbst im ungünstigsten Fall rund 22,5 h Funkkontakt pro Tag. Der Vorteil ist, dass hier der Funkkontakt sowohl zur Erde wie auch die Nachführung der Antenne zur Bodenstation sehr einfach ist, da diese auch für den Satelliten geostationär ist. Es würde bei geringen Datenraten aufgrund der kurzen Entfernung sogar noch eine Mittelgewinnantenne reichen die nicht besonders ausgerichtet werden muss.

Das zweite wäre ein Librationspunkt rund 60 Grad vor und nach dem Mond. Er ist stabil und ein Satellit hat praktisch dauernden Funkkontakt zu einer Sonde.. Die Kommunikation mit der Erde muss dann über eine zweite Antenne geschehen. Sie ist wegen der geringen Distanz weitgehend unproblematisch. Selbst wenn der Satellit aus Kostengründen auf der Sojus gestartet wird, würde noch eine 10 m Antenne einsetzen können - was immerhin dann einer 70 m DSN Antenne entspricht, wenn man die höhere Frequenz betrachtet. Auch das Gewicht wäre kompatibel zur Sojus: Das wäre vielleicht für die ESA ein guter Weg.

Galileo (1983)Weitere Vorteile

Ein Vorteil ist durch den Ausfall des Wetters eine sehr zuverlässige Kommunikationsverbindung die auch durch andere Satelliten kaum gestört wird, weil diese sich unter dem DSN-Satelliten befinden. Das kann für bestimmte Missionstypen die keine Wiederholung der Übertragung zulassen wie Atmosphärensonden oder Venuslandesonden, die nach kurzer Zeit zerstört werden sehr wichtig sein, es erleichtert aber auch insgesamt die Missionsplanung und verringert damit die Kosten von Missionen.

Von Vorteil ist auch, dass anders als bei einer Bodenstation praktisch ein 24-Stundenkontakt möglich ist, während eine Bodenstation maximal 10 Stunden lang mit einer Raumsonde kommunizieren kann. Allerdings wird der Normalfall sein, dass ein DSN-Satellit etwa drei Raumsonden betreut, die jeweils 6 Stunden pro Tag senden. Der Rest der Zeit wird als Reserve benötigt bzw. um den Satelliten jeweils auf die nächste Raumsonde auszurichten.

Weitere Ideen

Dabei ist dies nur der Anfang: Sukzessive könnte man auf höhere Frequenzen gehen, indem man die Empfänger schon mal anbringt und auf einer Sonde den zugehörigen Sender als Backupsystem. Vielleicht als nächstes dann den Bereich von 98 GHz und dann sukzessive höher. Will man keine höhere Datenrate, dann wäre auch zu überlegen ob man an Bord eines normalen Kommunikationssatelliten einfach eine Extraantenne installiert und diesen zusätzlich nutzt - eine 24 kg schwere 5 m Antenne ersetzt bei 60 GHz ohne Probleme einer der ESA Bodenstationen mit 35 m Größe.

Geht man in den Bereich der Submillimeter Wellen, dann kann man heute schon recht große Parabolantennen aus gesinterter Keramik herstellen. Der Hauptspiegel von Herschel hatte 3,5 m Durchmesser. Ein Maximaldurchmesser von 4,7 m wäre bei Ariane 5 möglich. Bei einer Frequenz von 300 Ghz entspricht dies einer Antenne von 167 m im X-Band. Dabei ist dieser Spiegel erheblich leichter als eine Regenschirmantenne der TDRS-Bauart. Das Grundproblem ist jedoch auch hier, dass es noch keine Sender und Empfänger gibt die für Raumsonden praktikabel wären.

Herausforderungen

Die entfaltenbaren Antennen von TDRS und Galileo arbeiten im X-Band. Sie bestehen aus biegsamen Streben und einem Netz aus Metallfäden, dass die Radiowellen reflektiert. Je höher die Empfangsfrequenz ist, desto genauer muss das Netz der form eines Paraboloids folgen. Bei 60 GHz dürfen die zulässigen Abweichungen der Oberfläche von der Idealform also nur noch ein achtel des Wertes des X-Bandes sein. Gleichzeitig muss das Netz wegen der kleineren Wellenlänge engmaschiger sein. Nimmt man die von optischen Teleskopen bekannte Genauigkeit von Wellenlänge/5 als Mindestkriterium, so darf die Abweichung bei 60 GHz bei maximal 1 mm von der theoretischen Form sein - und dies bei einer 30 m großen Antenne.

So große Antennen bewirken auch eine Anfälligkeit gegenüber dem Sonnenwind, der den Satelliten dann dreht oder beschleunigt/abbremst. Diesen Störeinfluss kann man durch Ionentriebwerke und einem ausreichend großen Treibstoffvorrat für diese begegnen. Eine 30 m Antenne wird maximal (je nach Reflexionsvermögen weniger) eine Störkraft von 6 mN aufweisen. Ein kleines Ionentriebwerk mit 10 mN Schub (Stromverbrauch rund 300 W, Treibstoffverbrauch bei Dauerbetrieb in 15 Jahren rund 90 kg) würde ausreichen diese Kraft zu kompensieren.

Die Kosten

Der Nachteil: Ein Satellit wird immer teurer sein als eine Bodenstation. Lohnen wird es sich wahrscheinlich daher nur bei den großen Brocken. Wenn man 2 Milliarden für die nächste Mars Raumsonde ausgibt kann es vielleicht sich lohnen nochmals 400 Millionen für einen Kommunikationssatelliten auszugeben, der die Datenmenge verzehnfacht. Immerhin: Mit Ionentriebwerken sollte ein Satellit heute 15 Jahre lang betrieben werden können. Ein Zeitraum nachdem auch auf der Erde Upgrades fällig werden. Normale Kommunikationssatelliten haben in etwa heute auch diese Betriebsdauer. Ein heutiger Kommunikationssatellit kostet rund 200-250 Millionen Dollar, ein Ariane 5 Start rund 220 Millionen Dollar und dann kommen noch die Betriebskosten dazu. Da die kommunikationstechnische Ausrüstung einfacher ist (Nur eine Antenne und nur je 1 Sender und Empfänger) sollte wenn zumindest eine kleine Serie gebaut wird ein solches Exemplar für 500 Millionen Dollar ins All beförderbar sein.

Eventuell tastet man sich an die Technologie auch erst einmal heran. Eine mögliche Lösung wäre es einen geostationären Satellit mit einer kleinen Zusatzantenne auszurüsten und damit erst einmal Tests durchzuführen. Sowohl die ESA-Staaten wie auch NASA / DoD haben eine Reihe von Satelliten die sich dafür eignen, wie eigene Kommunikationssatelliten oder Wettersatelliten. Eine Antenne mit nur 1,5 m Durchmesser die bei 50 GHz arbeitet also dem was heute die Grenze für TWTA darstellt ist dann vergleichbar einer Antenne von 9 m im X-Band. Das ist noch deutlich kleiner als die 35 m Kommunikationsantennen die heute ESA und NASA im Einsatz haben, aber es reicht für Tests mit einem 16-tel der normalen Datenrate. Sind diese erfolgreich, kann man dann zu sukzessive größeren Satelliten übergehen.

Alternativen

Nun stellt sich einer die Frage, warum ich nichts über optische Datenübertragung schreibe? Weil ich darüber nichts sagen kann. Als ich mal las, dass man experimentell mit den Laserkommunikationsterminals von TerraSAR mehrere GBit/s über rund 10.000 km Distanz gesendet habe, fragte ich bei TESAT (Hersteller der Hardware) mal nach, wie es denn bei Deep Sky Missionen aussieht und bekam die Antwort, dass wegen der militärischen Bedeutung der Technologie als schwer abhörbare Punkt zu Punkt Verbindung man mir nichts sagen dürfte. Bei DS Missionen zählen nicht die GBit/s (die würde auch eine Raumsonde erreichen wenn sie nur 10.000 km von der Erde entfernt wäre, schließlich ist das DSN um ein vielfaches leistungsfähiger als ihre 60 cm Satellitenantenne), sondern die Datenrate über Milliarden Km. Auch Laserstrahlen weiten sich auf und wenn es so ist wie bei Radiosignalen (10 fache Entfernung = 1/100 der Datenrate) dann ist die optische Datenübertragung heute noch nicht geeignet für große Distanzen, zumal man dann auf der Erde genauso teure Großteleskope zum Empfang bauen müsste, wie Radioempfangsstationen und immer noch das Problem mit dem Wetter hätte. Es scheint sich wohl sehr gut für die hohen Datenraten innerhalb von Erdorbits eignen um z.B. von einem militärischen Beobachtungssatelliten einen militärischen Kommunikationssatelliten zu kontaktieren.

2013 wird LADEE, ein kleiner Mondsatellit experimentell 622 MBit/s aus Mondentfernung mit einem 10 cm großen Teleskop im nahen Infrarot (1,5 µm Wellenlänge senden). Empfänger auf der Erde sind vier 40 cm Teleskope die gekoppelt werden, damit das Rauschen geringer ist. Er stellt den bisherigen Rekord. Die Technologie hat in den letzten zwei Jahrzehnten enorm zugelegt. Vor wenigen Jahren waren es noch 50 MBit in den geostationären Orbit, also 36000 km Distanz. Nun sind es die zehnfache Datenmenge und die zehnfache Entfernung, mithin die Steigerung um den Faktor 100 (bzw, da die Leistung quadratisch mit der Entfernung absinkt sogar der Faktor 1000).

Ein Satellit mit einem optischen Teleskop wird wahrscheinlich beschränkt sein auf den Durchmesser der Nutzlasthülle, also bei Ariane 5 maximal 4,70 m Durchmesser. Segmentierte Spiegel wie sie beim James-Webb Teleskop erprobt werden sind technisch möglich, aber extrem teuer.

Artikel zuletzt bearbeitet am 7.9.2013


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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