Schwerpunkte

Kommunikation mit Licht

Laser revolutionieren Datentransfer im All

21. September 2020, 11:12 Uhr   |  Von Olaf Göring

Laser revolutionieren Datentransfer im All
© (Bild: Tesat-Spacecom)

Nicht nur in Glasfasern auf der Erde überträgt von Lasern erzeugtes Licht zuverlässig riesige Datenmengen. Auch im All und im Luftraum etabliert sich eine neue Infrastruktur der Laserkommunikation. Deutsche Institute und Firmen sind auf diesem Gebiet an vorderster Front dabei.

Viele Jahre arbeiteten Kommunikationssatelliten ausschließlich mit Funkwellen, meist im S-, L- oder Ku-Band. In jüngster Zeit kam noch das Ka-Band dazu, das breitbandigere Übertragungen ermöglicht. Zunächst dominierten in den Sechziger- und Siebzigerjahren des vorigen Jahrhunderts Radio- und TV-Sendungen sowie Kommunikationsdienste wie Telefon, Fax oder M2M-Dienste (Machine-To-Machine) mit geringen Übertragungsraten.

Nun werden die Satellitenkanäle für immer neue Aufgaben genutzt. Schnelles Internet, qualitativ hochwertige Fernerkundungsbilder aus dem All, Industrie 4.0, die Speicherung in Clouds oder Big-Data-Projekte erzeugen immer mehr Daten, die ausgetauscht werden müssen. Die herkömmlichen Funktechniken reichen dafür nicht mehr aus. Deshalb wird seit einigen Jahren weltweit an neuen Kommunikationstechniken gearbeitet, die auf Laserstrahlen basieren. Deutsche Unternehmen wie Tesat-Spacecom oder Mynaric sind dabei international führend vertreten. Für den nötigen Forschungsvorlauf sorgen unter anderem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die europäische Weltraumagentur ESA.

Ausgangspunkt »ARTEMIS«

Der ESA-Satellit ARTEMIS (Advanced Relay and Technology Mission) wurde am 12. Juli 2001 ins All befördert. An Bord befand sich auch ein Laser Communication Terminal (LCT), mit dem erstmals experimentelle optische Datenlinks zwischen Satelliten im Weltraum erprobt wurden. Bei dem dafür vorgesehenen Experiment SILEX (Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment) wurden Bilder vom französischen Fernerkundungssatelliten SPOT 4 zu ARTEMIS übertragen, der sich in einer hohen kreisförmigen Umlaufbahn befand. Das geschah damals noch mit aus heutiger Sicht bescheidenen 50 Mbit/s.

Die Weiterleitung der Daten von ARTEMIS zur Erde erfolgte über das Ka-Band. Im Dezember 2006 fand eine weitere Weltpremiere statt. Über ARTEMIS wurde im Rahmen des französischen Projektes LOLA (Liaison Optique Laser Aéroportée) ein optischer Zweiwege-Link zu einem Forschungsflugzeug hergestellt. Diese Nutzung ist besonders für das Militär interessant, lassen sich doch so breitbandige Verbindungen zu Drohnen und anderem fliegendem Gerät herstellen.

Terminals von Tesat-Spacecom wurden auf niedrigfliegenden Satelliten – zwischen dem deutschen Fernerkundungssatelliten TerraSAR-X und dem amerikanischen NFIRE – seit 2007 getestet und erreichten Übertragungsleistungen von bis zu 5,6 Gbit/s bei 5.500 km Entfernung zwischen den Satelliten. Außerdem konnten Laserverbindungen zwischen Satelliten und optischen Bodenstationen erprobt werden. Die dafür genutzte Bodenstation der ESA befindet sich auf Teneriffa (Spanien) in 2400 m über Meereshöhe.

 2014 wurden erstmals Daten von einer Mondsonde, der NASA-Sonde LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), mittels Laser zur Erde gesendet.
© Bild: NASA

Bild 1. 2014 wurden erstmals Daten von einer Mondsonde, der NASA-Sonde LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), mittels Laser zur Erde gesendet.

Aber es geht noch weiter. 2014 erfolgte erstmals der Datenaustausch mit einer Mondsonde, der NASA-Sonde LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) mittels Laser (Bild 1). Das Signal hat rund 400.000 km zurückgelegt und die Erdatmosphäre durchquert. Dabei wurde eine Übertragungsrate (Downlink) von 622 Mbit/s erreicht. Auf der Erde waren drei optischen Bodenstationen – White Sands und Table Mountain in den USA sowie die Station der ESA auf Teneriffa – beteiligt. So konnten die Ingenieure gewährleisten, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit immer eine Station freie Sicht Richtung Mond hatte, also wolkenfrei war. Denn Wolken sind eines der größten Hindernisse für Laserstrahlen.

Das Experiment war das Ergebnis einer Kooperation von der NASA, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), der ESA und dem DLR. Nach der Signalanalyse von Wissenschaftlern des DLR-Instituts für Navigation und Kommunikation Oberpfaffenhofen war der Einfluss der Atmosphäre dabei weniger stark als erwartet. Offensichtlich war der Himmel über der Bodenstation perfekt wolkenfrei.

Auch die Internationale Raumstation ISS war, zunächst noch experimentell, in den vergangenen Jahren mehrfach mit der Erde per Laser verbunden. Auf diese Weise wurden wissenschaftliche Daten und Videos zu Bodenstationen in Russland oder den USA gesendet.

»EDRS« – eine neue Infrastruktur im All

Das EDRS-System der ESA nutzt geostationäre Satelliten als Relaisstationen, die Daten von Erdfernerkundungssatelliten per Laser empfangen und per Funk zur Bodenstation übertragen.
© Bild: ESA

Bild 2. Das EDRS-System der ESA nutzt geostationäre Satelliten als Relaisstationen, die Daten von Erdfernerkundungssatelliten per Laser empfangen und per Funk zur Bodenstation übertragen.

Inzwischen ist die Technik soweit ausgereift, dass die ESA mit EDRS (European Data Relay Satellite) im November 2016 ein Datenübertragungssystem im All in Betrieb nehmen konnte (Bild 2), das große Informationsmengen von europäischen Erdfernerkundungssatelliten über geostationäre Relaisstationen mittels Laserstrahlen (Satellit zu Satellit) und Hochleistungsfunkverbindungen im Ka-Band zu Bodenstationen überträgt. Damit werden die Daten der niedrigfliegenden Fernerkundungssatelliten – die Satelliten heißen Sentinel – des Copernicus-Programms, einem Gemeinschaftsprogramm von Europäischer Union und ESA, nahezu ohne Verzögerung an die Bodenstationen übertragen.

Da die geforderten hochauflösenden Aufnahmen nur von Satelliten mit niedrigen Umlaufbahnen – um die 800 km über der Erdoberfläche – zu gewinnen sind, war das bisher nicht möglich. Denn in dieser Flughöhe haben Raumflugkörper einen bestimmten Teil der Erdoberfläche lediglich für fünf bis zehn Minuten in ihrem Blickfeld. Wenn sich dort eine Bodenstation für den Empfang befindet, ist also nur in dieser kurzen Zeit eine Verbindung zum Satelliten herstellbar.

Deswegen mussten die Daten bis zur Übertragung an Bord zwischengespeichert und dann mit hoher Geschwindigkeit zur Erde gesendet werden. Außerdem erhielten die Kunden ihre Informationen erst, wenn eine Bodenstation überflogen wurde. Bis zu 90 Minuten Verzögerung sind bahnmechanisch bedingt durchaus üblich. Das ist gerade bei Aufnahmen aus Katastrophengebieten, wo es auf jede Minute ankommt, ein Nachteil. Zwischen der geostationären Relaisstation und den niedrigfliegenden Satelliten können bis zu 1,8 Gbit/s über eine Strecke von 45.000 km übertragen werden. Das entspricht einer Kapazität von etwa 50 TByte pro Tag.

Das Laser-Terminal LCT 135 (links der innere Aufbau) von Tesat-Spacecom überträgt Daten per Laser von Satellit zu Satellit (rechts).
© Bilder: Tesat-Spacecom

Bild 3. Das Laser-Terminal LCT 135 (links der innere Aufbau) von Tesat-Spacecom überträgt Daten per Laser von Satellit zu Satellit (rechts).

EDRS besteht zurzeit aus zwei geostationären Kommunikationssatelliten und drei Bodenstationen mit verschiedenen Aufgaben sowie einer operativen Zentrale in Ottobrunn bei München. EDRS-A, bestehend aus einem Terminal LCT135 (Bild 3) von Tesat-Spacecom und einem Ka-Band-Transponder, befindet sich an Bord des Kommunikationssatelliten Eutelsat 9B. EDRS-B wurde bisher nicht realisiert.

Der zweite Relaispunkt im All wurde im August 2019 für den weiteren Ausbau gestartet. Es handelt sich um den eigenständigen Satelliten EDRS-C. EDRS-C ist ein Produkt von OHB System Bremen. EDRS kann Datenströme von allen Satelliten, die mit einem entsprechenden Laser-Terminal ausgestattet sind, übertragen. Das System soll außerdem Verbindungen zu sensorbestückten Drohnen oder anderen Fluggeräten im irdischen Luftraum herstellen können.

Eine neue Ebene

Künftige hochleistungsfähige Kommunikationsnetze werden aber nicht nur im Weltraum errichtet, sondern im Raum zwischen der Erdoberfläche und der Stratosphäre, also bis zu 20 km Flughöhe. Unter Einbeziehung von Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen kann so quantitativ und qualitativ die Kommunikation eine neue Dimension, die dritte Dimension, erreichen und Aufgaben erfüllen, für die es bisher keine Realisierungsmöglichkeit gab. Daran arbeiten inzwischen immer mehr Unternehmen.

Neben den etablierten Internet-Konzernen wie Google oder Facebook mischen auch Start-up-Unternehmen mit frischen Ideen mit. Bei einigen der vorgestellten Projekte wollen deren Erfinder mit Tausenden Ballons, Luftschiffen oder Drohnen neue Netzwerke aufbauen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird nicht alles davon realisiert werden können. Doch was treibt die Internet-Multimilliardäre und andere kreative Erfinder zu diesen Aktivitäten?

Ähnlich wie in der Raumfahrt nehmen die zu sendenden Datenmengen auf der Erde rasant zu, woran Google, Facebook und Co. nicht ganz unschuldig sind, denn ihre Geschäftsmodelle beruhen ja gerade auf dem Austausch großer Datenvolumina. Und um unter anderem diese Geschäftsmodelle nicht zu gefährden, werden leistungsfähigere Kommunikationsnetze benötigt. Gleichzeitig soll in den nächsten Jahren jeder entlegene Winkel auf der Erde mit Breitbandinternet versorgt werden.

Facebook will riesige Drohnen einsetzen, die solarbetrieben in der Stratosphäre fliegen, um Internetzugänge in großflächigen und abgelegenen Regionen zu realisieren.
© Bild: Facebook

Bild 4. Facebook will riesige Drohnen einsetzen, die solarbetrieben in der Stratosphäre fliegen, um Internetzugänge in großflächigen und abgelegenen Regionen zu realisieren.

Das ist mit der Verkabelung ganzer Kontinente wie beispielsweise Afrika weder finanziell noch zeitlich zu stemmen. So basiert das Facebook-Projekt auf riesigen Drohnen namens »Aquila« (Bild 4), die mit Solarenergie betrieben werden, eine größere Spannweite haben als ein Mittelstreckenflugzeug Boeing 737 und in 20 km Höhe fliegen sollen. Dort befindet sich bereits die Stratosphäre.

Dass bei der Realisierung nicht alles glatt läuft, musste der Konzern 2016 bei einem Testflug von nur einer Aquila-Drohne erfahren. Dabei kam es zu einem Unfall, bei dem die Drohne schwer beschädigt wurde.

Dagegen will Google sein aeronautisches Netz mit Ballons realisieren (Projekt Loon), die in etwa 800 km Entfernung zueinander durch raffinierte Algorithmen gesteuert in der Stratosphäre schweben und mittels Laserstrahlen Daten sowohl untereinander als auch mit dem Boden austauschen sollen. Jeder Ballon sendet und empfängt per Funk die Down- und Uploads der Kunden und deckt so einen bestimmten Bereich auf der Erdoberfläche ab.

So bräuchte Google nur acht Bodenstationen, um ganz Westafrika an das Internet anzubinden. 2013 wurde das Verfahren in Neuseeland mit zunächst 30 Ballons getestet. 2014 gab es einen weiteren Test in Brasilien. Sri Lanka gab 2015 bekannt, dass es das erste Land sein wird, das mittels Loon-Ballons einen landesweiten Internetzugang erhält.

2017 wurden die Einwohner von Puerto Rico nach dem Hurrikan Maria über Loon-Ballons mit Telefonverbindungen versorgt. Und 2019 wurde über Kenia mit den Ballons ein Mobilfunknetz errichtet. Noch werden bei diesen Projekten meist Funkverbindungen genutzt, aber die steigenden Anforderungen an die Bandbreite wecken bei den Betreibern das Interesse an der Laserkommunikation.

Warum Laser?

Bisher gelang es, durch höhere Funkfrequenzen die Bandbreite der Sendekanäle und damit die Übertragungsgeschwindigkeit kontinuierlich zu steigern. Durch weitere technische Kniffe wie Datenkompression konnten auch die letzten Reserven herausgeholt werden. Dem sind jedoch aus physikalischen Gründen Grenzen gesetzt.

Als Ausweg bieten sich Laserstrahlen an. Sie haben den Vorteil, dass die Frequenz, also die Schwingungszahl der Lichtwelle pro Zeiteinheit, wesentlich höher als bei Funkwellen ist. Dementsprechend können mehr Informationen in der gleichen Zeit übertragen werden. Gleichzeitig bietet das Vakuum im Weltraum optimale Ausbreitungsbedingungen für Laserlicht, sodass es sich besonders für die Verbindung zweier Satelliten eignet.

Die von Tesat-Spacecom entwickelte Familie von Laser-Terminals sollen nicht nur im Weltraum eingesetzt werden, um große Datenmangen zu übertragen.
© Bild: Tesat-Spacecom

Bild 5. Die von Tesat-Spacecom entwickelte Familie von Laser-Terminals sollen nicht nur im Weltraum eingesetzt werden, um große Datenmangen zu übertragen.

Bei Laserkommunikationsverbindungen in der Atmosphäre können Störungen durch Wolken, Regen, Schnee oder Nebel mithilfe adaptiver Optiken und der Nutzung verschiedener Bodenstationen an weit entfernten Standorten kompensiert werden. Ein weiterer Vorteil von Laserstrahlen besteht in der scharfen Bündelung. Sie haben bei der Fokussierung durch ein Teleskop in 40.000 bis 50.000 km Entfernung lediglich einen Durchmesser von wenigen hundert Metern. Die ausgestrahlten Informationen kommen so nur im nahen Umfeld des Empfängers an. Abhörmöglichkeiten sind so gut wie ausgeschlossen. Die Daten rasen auf der Datenautobahn also nicht nur schneller, sondern auch sicherer zu ihrem Ziel. Ein weiterer Vorteil von Licht ist die Lizenzfreiheit. Die Nutzung von Funkfrequenzen durch Satelliten muss bei der Internationalen Fernmeldeunion ITU beantragt und zugewiesen werden – was außerdem Geld kostet.

Die Daten einiger Laserterminals im Überblick.
© Olaf Göhring | Elektronik

Tabelle. Die Daten einiger Laserterminals im Überblick.

Für die Laserkommunikation werden entsprechende Empfänger und Sender benötigt. Die Fachleute sprechen anders als in der Funktechnik von Terminals. Ein Beispiel ist das vom Airbus-Tochterunternehmen Tesat-Spacecom aus Backnang zusammen mit dem DLR entwickelte Terminal LCT135 (Bild 3), das erfolgreich im All arbeitet.

Tesat-Spacecom beziehungsweise deren Vorläuferunternehmen arbeiten bereits seit den Achtzigerjahren des vorigen Jahrhunderts an Lasersystemen, unter anderem waren sie auch an SILEX beteiligt. Diese Erfahrung hat sich nun ausgezahlt. Inzwischen werden für künftige Interessenten auch weitere Laserterminals (Bild 5) nicht nur für Satellitenverbindungen angeboten und neun Stück befinden sich bereits im »überirdischen« Einsatz, unter anderem beim europäischen Datenrelaissystem EDRS (Tabelle).

Ein weiteres deutsches Unternehmen, Mynaric, bietet ebenfalls LCTs für den Einsatz im Weltraum und für mobile Anwendungen in der Luft und am Boden an. In den letzten Monaten hat das Unternehmen Verträge mit noch nicht näher benannten Firmen der Raumfahrtindustrie abgeschlossen.

Deutscher Forschungsvorlauf

In Deutschland wird aber nicht nur gefertigt. Umfangreiche Forschungsarbeiten zum Thema werden am DLR-Institut für Navigation und Kommunikation in Oberpfaffenhofen-Weßling seit Jahren durchgeführt. Ende 2016 gelang den Wissenschaftlern ein neuer Rekord. Über eine Strecke von 3 km konnten sie im freien Raum eine Übertragungsrate von 1,72 Tbit/s erreichen, das entspricht der Datenmenge von 45 DVDs.

Die Arbeiten dienen zunächst noch der Erprobung der einzelnen Systemelemente und vor allem der Erforschung der Ausbreitung in der Atmosphäre, um in Zukunft stabile schnelle Verbindungen im Luftraum und zu Satelliten herstellen zu können. Das Experiment ist Bestandteil des THRUST-Projektes (Terabit-Throughput Optical Satellite System Technology), dessen Ziel es ist, Satelliten künftig an das terrestrische Internet per Laserverbindung anzukoppeln und zwar in Terabit-Geschwindigkeit.

Das DLR arbeitet aber auch an aeronautischen Übertragungsstrecken. So wurden im Dezember 2013 beim Projekt »DODfast« (Demonstration of an Optical Data Link fast) in Echtzeit Daten mit 1,25 Gbit/s von einem Tornado-Jagdflugzeug über 60 km Entfernung zum Boden übertragen. Dabei erreichte der Tornado im Flug fast Schallgeschwindigkeit, eine Herausforderung an die Ausrichtsysteme. Das Sendesystem wurde durch die DLR-Ausgründung Mynaric in Zusammenarbeit mit dem DLR entwickelt. Basierend auf über 15 Jahren Erfahrung arbeiten die Experten der Firma an neuen noch leistungsfähigeren Systemen und insbesondere an der Kommerzialisierung der Technik.

Es geht noch kleiner

Ein neuer Trend in der Raumfahrt ist der Einsatz eines neuen Satellitentyps, des CubeSats. Der CubeSat-Standard wurde 1999 in den USA gemeinsam an der Stanford University und der California Polytechnic State University als ein internationales Programm geschaffen. Das Ziel war es, Studenten kostengünstige Möglichkeiten anzubieten, ihr theoretisches Wissen in die Praxis umzusetzen. Der Grundkörper eines CubeSats hat die Abmessungen von 11,35 × 10 × 10 cm3 – kubisch und deswegen CubeSat – und soll nicht mehr als 1,33 kg wiegen.

Ein solches Grundgehäuse wird als Format 1U bezeichnet (one Unit). Da sich herausgestellt hat, dass nicht alle Projekte mit einem derartigen Winzling realisiert werden können, wurden Erweiterungen des Formats definiert: 2U, 3U, 6U, 1,5U (17,02 × 10 × 10 cm3, 2 kg).

Inzwischen gibt es ernstzunehmende Systeme mit CubeSats, beispielsweise das Satellitennetzwerk von PlanetLabs. Deren Satelliten liefern 1,5 Mio. Fotos von allen Regionen der Erde pro Tag, die die Firma gewinnbringend vermarktet. Und die Nachfrage ist riesig.

Für Raumflugkörper dieses Typs hat das DLR zusammen mit Tesat-Spacecom unter dem Namen CubeLCT ein System entwickelt, das die Übertragung von großen Datenmengen per Laser auf Kleinstsatelliten ermöglicht. Das Vorhaben läuft unter dem Projekt OSIRIS (Optical Space Infrared Downlink System). Dabei ist ein miniaturisiertes Terminal entstanden, das nur 10 × 10 × 3 cm3 misst und gerade einmal 300 g wiegt. Es kann Daten mit einer Rate von 100 Mbit/s übertragen. Das Terminal ist mit einem Sendelaser und einem Mechanismus zur hochpräzisen Strahlausrichtung ausgestattet. Damit lässt sich die Ausrichtung auf ein tausendstel Grad kontrollieren. Die Datenübertragung erfolgt über den optischen Downlink zu einer Bodenstation auf der Erde.

Streaming zu Schiffen und Flugzeugen

Verwöhnte Reisende erwarten heute die Verbindung zum Internet zu jeder Zeit und an jedem Ort. Das heißt, dass auch Verkehrsflugzeuge oder Kreuzfahrtschiffe auf hoher See entsprechende Angebote unterbreiten müssen. Das wird bei einigen Airlines über geostationäre Satelliten im Ka-Band durchgeführt. Damit können jedoch nicht alle Wünsche erfüllt werden. So sind bestimmte Videostreaming-Anwendungen oder Skype aufgrund der großen Latenzzeit der Satellitensignale nicht möglich.

Ein großer Markt also, denn allein über den USA sind ständig mindestens 5000 Verkehrsflugzeuge in der Luft. Aber auch Behörden oder die Industrie sind an globaler Breitbandabdeckung interessiert. Hier wittern Unternehmen wie SpaceX, Amazon oder Telesat ein lukratives Geschäft und wollen über große Netzwerke aus mehreren hundert oder gar tausend Satelliten Internet bis in die letzten Winkel unseres Planeten bringen. Vernetzt werden sollen die Satelliten untereinander per Laser. Mynaric hat mit dem CONDOR-Terminal kürzlich ein Produkt für genau diesen Markt der sogenannten Megakonstellationen vorgestellt.

Das ist erst der Anfang einer neuen Entwicklung in der globalen Kommunikation und Informationsübertragung. Bald werden Laserstrahlen so selbstverständlich wie Funkwellen genutzt werden. Doch auch die Funkfrequenzen werden weiter ihre Berechtigung haben, denn es wird an neuen Übertragungsverfahren in Frequenzbereichen deutlich über 30 GHz gearbeitet.

Der Autor

Olaf Göring
© Olaf Göring

Olaf Göring

Olaf Göring

studierte von 1971–75 an der Ingenieurhochschule Leipzig Automatisierungstechnik. 1975–79 arbeitete er als Projektingenieur für Steuer- und Regelanlagen. 1979 trat er in die Leitung des Kombinats Elektronische Bauelemente Teltow ein und arbeitete in der forschungsstrategischen Abteilung. Seit 1992 ist er als freiberuflicher Journalist für Print- und Online-Medien tätig.

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