Europa startet Laser-Kommunikations-System im Orbit

Daten-Highway im All

Das European Data Relay System (EDRS): geostationäre Sallite fungieren als Laser-Relais © ESA

Europa hat das Laser-Zeitalter im Weltraum eröffnet: Ende Januar ist der erste Laserknoten des European Data Relay System EDRS in den Orbit gestartet. Dieses soll künftig dafür sorgen, dass Daten von Fernerkundungssatelliten mit Lichtgeschwindigkeit gesammelt und zur Erde übertragen werden können.

Die Kommunikation per Laser im Weltraum ist ein Novum. Denn bisher senden die Satelliten ihre Daten per Funk und Radiowellen direkt zur Erde – aber das geht nur dann, wenn sie gerade in Reichweite ihrer Bodenstationen sind. Mit dem neuen EDRS-System werden die Satellitendaten mit Laserstrahlen zu einer Relaisstation im geostationären Orbit gesendet und diese funkt sie von dort aus zur Erde – rund um die Uhr und nahezu in Echtzeit.

Nadja Podbregar
Stand: 12.02.2016

Warum werden Laser-Relais im Orbit gebraucht?

Turbo für die Daten

Auf der Erde ist die optische Datenübertragung längst unverzichtbar: Glasfaserkabel sorgen dafür, dass die gewaltigen Datenmengen von Internet und Telekommunikation mit Lichtgeschwindigkeit zwischen Kontinenten ausgetauscht werden. Bereits 2011 erreichte die Übertragungsrate eines einzigen Laserstrahls dabei 26 Terabyte pro Sekunde – das entspricht der Datenmenge auf rund 700 DVDs.

Ein Satellit im niedrigen Erdorbit ist bisher nur für kurze Zeit in Reichweite seiner Bodenstation (roter Bereich) © ESA

Und weltweit arbeiten Forscher daran, die optischen Datenleitungen weiter zu verbessern und ihre Bandbreite zu erhöhen. Denn der Bedarf wächst: Allein seit dem Jahr 2000 hat der Datenverkehr im globalen Glasfasernetz um 60 Prozent zugenommen. Sogar durch die Luft wurden inzwischen bereits Daten per Laser geschickt.

Engpass im Orbit

Über unseren Köpfen allerdings gibt es einen Engpass in der globalen Datenkommunikation: Die Fernerkundungs-Satelliten, die unseren Planeten im niedrigen Erdorbit umkreisen, sammeln zwar reichlich Daten. Weil sie aber ihre Positionen gegenüber der Erdoberfläche ständig verändern, sind sie immer nur für kurze Zeit mit den Bodenstationen in Kontakt – im Schnitt gerade einmal zehn von 100 Minuten.

Diese Satelliten müssen daher ihre Daten zunächst speichern und sie dann in dem kurzen Zeitfenster möglichst geballt schicken. Gerade bei umweltrelevanten Daten oder den von Überwachungssatelliten gesammelten Informationen sind diese Zeitverzögerungen nicht gerade optimal.

Ein Relais-Satellit im geostationären Orbit deckt einen weitaus größeren Bereich der ERdoberfläche ab. © ESA

Relais-Station im Orbit

Ein neuartiges Übertragungssystem soll nun diese Misere beenden – das European Data Relay System (EDRS) der europäischen Weltraumbehörde ESA. Der Clou an diesem von der ESA als Meilenstein der Telekommunikation gefeierten System: Es nutzt geostationäre Relais-Satelliten, die über Laser mit anderen, im Orbit kreisenden Satelliten kommunizieren.

Diese Laser-Relais sammeln zunächst die per Laserstrahl gesendeten Daten der niedriger fliegenden Erdbeobachtungs-Satelliten ein und leiten sie dann per Mikrowellen-Verbindung an die Bodenstationen weiter. Die Laser-Terminals benötigen dabei weniger als eine Minute, um eine Verbindung zwischen geostationärem und niedrigem Erdorbit herzustellen – und können ständig senden.

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Nadja Podbregar
Stand: 12.02.2016

Erfolg beim Pilotprojekt im Orbit

Die erste Gigabit-Übertragung

Den Beweis, dass ein lasergestütztes Kommunikations-System im Orbit funktioniert, lieferte Ende 2014 ein Pilotversuch. Zum ersten Mal gelang es dabei, Daten per Laser über fast 36.000 Kilometer hinweg auszutauschen – und das in der Erdumlaufbahn. Bei dieser ersten Laser-Langstrecken-Übertragung im Orbit wurden innerhalb weniger Sekunden hochauflösende Satellitenbilder übertragen.

Das Laser Communication Terminal (LCT) ist Sender und Empfänger zugleich und kann bis zu 1,8 Gigabit pro Sekunde an Daten übertragen. © DLR/ TESAT

Laser-Terminals als Kernbauteil

Sender bei dieser Laser-Übertragung war der europäische Erdbeobachtungssatellit Sentinel 1A. Er umkreist die Erde in etwa 700 Kilometern Höhe auf einem erdnahen polaren Orbit. Mit an Bord hat dieser im April 2014 gestartete Satellit eine Sonderausstattung: ein vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes Laserkommunikations-Terminal (LCT).

Dieses Terminals fungieren als Sender und Empfänger zugleich und schaffen es selbstständig, ihr Partnerterminal auf einem anderen Satelliten zu orten und sich mit ihn zu verbinden. Das bedeutet, sie müssen ein Ziel ausmachen, das nur knapp 15 Zentimeter groß ist, bis zu 45.000 Kilometer entfernt sein kann und sich mit einer relativen Geschwindigkeit von acht Kilometern pro Sekunde bewegt – keine einfache Aufgabe.

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Rekord-Übertragung geglückt

Entsprechend gespannt war man bei DLR und ESA auf die erste Übertragung mittels orbitaler Laser- Kommunikation. Dafür visierte das auf Sentinel 1A montierte Terminal den weit über ihm fliegenden Kommunikationssatelliten Alphasat I-XL an. Auch dieser im geostationären Orbit kreisende Satellit trägt ein Laserkommunikations-Terminal. Zum Zeitpunkt der Übertragung waren beide Satelliten rund 36.000 Kilometer voneinander entfernt – das entspricht fast dem dreifachen Erd-Durchmesser.

Aber es klappte: Innerhalb von wenigen Sekunden schickte Sentinel die im Laserstrahl optisch kodierten Bilddaten an seinen Partner-Satelliten. Er erreichte dabei immerhin eine Übertragungsrate von 0,6 Gigabit – mehr als je zuvor im Orbit realisiert. Theoretisch aber kann die Laserverbindung bis zu 1,8 Gigabit pro Sekunde über eine Distanz von bis zu 45.000 Kilometern transportieren – das entspricht 180 DVDs pro Stunde und ist das 30-Fache der bisher üblichen Datenrate.

Diese Aufnahme von Berlin schickte Sentinel-1 per Laser an Alphasat - über eine Entfernung von 36.000 Kilometern hinweg. © Copernicus data/ESA (2014)

Der als Relais dienende Alphasat I-XL schickte die empfangenen Datenpakete dann per Mikrowellen-Verbindung an seine Empfangsstation beim DLR in Oberpfaffenhofen weiter. „Das ist ein großer Erfolg“, kommentierte 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.“

Nadja Podbregar
Stand: 12.02.2016

Seit Januar 2016 ist der erste Laserknoten im Orbit

Es geht los

Der Startschuss für das EDRS, Europas neue „Datenautobahn im All“, ist bereits gefallen: Am 26. Januar 2016 brachte eine vom russischen Raumfahrtzentrum in Baikonur gestartete Proton-Trägerrakete den ersten Laserknoten des Systems ins All. EDRS-A, so der Name dieser rund 50 Kilogramm schweren Laser-Relais-Station ist am Kommunikationssatelliten Eutelsat 9B installiert.

Start des ersten Laser-Relais für das EDRS-System am 29. Januar 2016 in Baikonur. © International Launch Services

Neun Grad östlicher Länge

Nach neun Stunden Flugzeit lieferte die Trägerrakete ihre Fracht erfolgreich in der geostationären Umlaufbahn in 36.000 Kilometern Höhe ab. EDRS-A wird hier Posten auf neun Grad östlicher Länge beziehen. Von dort aus hat sie Europa, Afrika, den Nahen Osten, aber auch Lateinamerika und die US-Ostküste im Blick. Satelliten, die in diesen Regionen unterwegs sind und auch alle Bodenstationen sind damit in Reichweite dieses Laser-Relais.

Die ersten regelmäßigen Datenübertragungen soll EDRS-A im Sommer 2016 beginnen. Die Kommunikation mit dem Boden übernimmt dabei eine zweite Komponente des Laserknotens, das Intersatelliten-Linkterminal (ISL). Dieses überträgt die Daten vom Knoten mit Radiowellen im sogenannten Ka-Band zwischen 26,5 und 40 Gigahertz. Die Datenrate liegt dafür bei 300 Megabit pro Sekunde.

2017 wird der zweite Relais-Satellit für das EDRS in den geostationären Orbit gestartet. © ESA

Nur der erste von mehreren

Im Jahr 2017 wird ein zweites Laser-Relais das EDRS-System ergänzen. EDRS-C wird mit einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Raumfahrtzentrum in Kourou starten und auf 31 Grad östlicher Länge Position beziehen. Sein „Blick“ reicht damit weiter nach Osten. Während in naher Zukunft Europa und sein Umfeld im Mittelpunkt stehen, planen ESA und Airbus bereits eine weltweite Abdeckung.

Im Rahmen des Programms GlobeNet sollen nach und nach weitere Laser-Stationen hinzukommen, um die Reichweite von EDRS letztendlich auf den gesamten Globus aufzuweiten. Konkret geplant ist bislang jedoch erst eine weitere, dritte Laser-Relaisstation, die 2020 starten wird. Sie soll das System zudem um ein Verschlüsselungsmodul ergänzen.

Nadja Podbregar
Stand: 12.02.2016

Die Anwendungen des orbitalen Laser-Highways

Wozu ist EDRS gut?

Längst kreisen in der Erdumlaufbahn nicht mehr nur Satelliten, die Vegetation, Topografie, Ozeane oder die Atmosphäre beobachten. Immer häufiger liefern die Augen aus dem All auch Echtzeit-Daten zum Schiffsverkehr, helfen Rettungsteams durch hochaufgelöste Bilder bei Naturkatastrophen oder spüren Umweltsünden auf. Das Europäische Relaissystem soll diese Anwendungen künftig schneller und verlässlicher machen.

Erdbeobachtungs-Satellit Sentinel-1 © ESA/ ATG medialab

Sentinels als erste „Kunden“

Die ersten Satelliten, die EDRS-Dienste nutzen werden, sind die Sentinels des Copernicus-Programms der EU. Diese Erdbeobachtungssatelliten fliegen immer paarweise und tragen unter anderem verschiedenen Radarinstrumente, Spektrometer sowie Messgeräte zur Überwachung der Atmosphäre an Bord. Sie können damit sowohl Veränderungen an Land beobachten als auch die Ozeane und Luft überwachen.

Wenn alle Sentinel-Satelliten im Orbit sind, werden sie täglich bis zu sechs Terabyte an Daten sammeln und zur Erde übertragen. Das entspricht mehreren Milliarden Seiten Text alle 24 Stunden. Ohne die Laser-Relais wären diese Datenmengen in den begrenzten Zeitfenstern des direkten Sentinel-Bodenkontakts kaum zu transportieren.

Grenzsicherung und Drohnen

Diese Daten dienen allerdings nicht nur rein wissenschaftlichen Zwecken. Auch Militär und Sicherheitsbehörden profitieren vom neue Laser-Relais im All. Denn die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms überwachen auch die südlichen und östlichen EU-Außengrenzen für die EU-Grenzagentur Frontex. Sie liefern damit Informationen darüber, wo beispielsweise besonders viele Flüchtlinge unterwegs sind.

Überwachung des Schiffsverkehrs per Satellit © DLR

Umstritten ist auch der Einsatz der Laser-Relais, um dem Militär die Kontrolle und Überwachung von ferngesteuerten Drohnen zu erleichtern. Gerade ESA-Vertragspartner Airbus sieht hier eine vielversprechende Anwendung. „Die Weltraum-Datenautobahn wird die Satelliten- und Drohnen-Kommunikation revolutionieren“, erklärte Airbus-Pressesprecher Evert Dudok anlässlich des EDSR-A-Starts.

Schiffsverkehr und Katastrophenschutz

Sowohl militärisch als auch zivil ist der Einsatz des Laser-Systems zur Überwachung der Meere und des Schiffsverkehrs. Denn dank der Weiterleitung von Satellitendaten mit EDRS lassen sich künftig Schiffe nahezu in Echtzeit verfolgen – das ist für Reedereien ein großer Vorteil, die so ihre Fracht im Auge behalten können. Im Falle einer Schiffskatastrophe lässt sich so zudem die Position und der Zustand der Schiffe schnell feststellen.

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Hilfsorganisationen und der Katastrophenschutz sollen künftig ebenfalls von EDRS profitieren. Denn mit der Zunahme von klimabedingten Naturkatastrophen, humanitären Notsituationen und zivilen Gefahrenlagen steigt auch der Bedarf an zeitnaher und flächendeckender Information. Die von Sentinels oder anderen Erdbeobachtungssatelliten erstellten Aufnahmen beispielsweise bei einem Hochwasser sollen künftig von Laser-Relais‘ übermittelt und im Rahmen des DLR-Projekts DeSecure gezielt und schnell ausgewertet und für die Notfallkartierung zur Verfügung gestellt werden.

Nutzen auch für die ISS

Nutznießer der orbitalen Laser-Datenbautobahn sind aber auch die Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Denn das EDRS-System erweitert ab 2018 die Datenmenge, die von der Station im niedrigen Erdorbit zu den Bodenstationen gesendet werden kann. Dadurch werden beispielsweise mehr Live-Videos aus dem Orbit möglich, aber es können auch mehr Experimentdaten ausgetauscht werden. Zudem soll die Verbindung dafür genutzt werden, um Kommandos an die Systeme der Station zu senden.

Nadja Podbregar
Stand: 12.02.2016