Baue eine „Weltraumbrücke“! Wie wird Satelliteninternet zur „neuen Infrastruktur“ im Weltraum?

Satelliten-Internet ist nach kabelgebundenem und drahtlosem Internet die dritte Generation der Internet-Infrastruktur. Zum Satelliteninternet gehören Hochdurchsatzsatelliten in geostationären Umlaufbahnen (GEO), Internetkonstellationen in mittleren Erdumlaufbahnen (MEO) und Internetkonstellationen in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO).

Satelliten-Internet-Komponenten

Überblick über die Entwicklung von Internet-Konstellationen im erdnahen Orbit

Breitband-Internet-Konstellationen in niedriger Umlaufbahn sind nichts Neues. Die in den 1980er Jahren entwickelte Kleinsatellitentechnologie hat bei der Entwicklung von Konstellationen eine enorme Rolle gespielt. In den frühen 1990er Jahren begannen Kommunikationskonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen populär zu werden. Mit dem Aufkommen von Sprachkommunikationskonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen wie Iridium und Globalstar hat die Branche nacheinander Konzepte für mehrere Internetkonstellationen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen vorgeschlagen, darunter die von Microsoft-Gründer Bill Gates vorgeschlagene „Teledesic“-Konstellation und die vom französischen Unternehmen Alcatel vorgeschlagene „Skybridge“-Konstellation.

Aufgrund des frühen Betriebsausfalls des Iridium-Systems und des ersten Abschwungs in der Internetbranche blieben diese Internet-Konstellationskonzepte alle auf dem Papier. Tatsächlich hat sich die Satellitenkommunikation seit ihrer Entstehung in Konkurrenz, gegenseitiger Ergänzung und Zusammenarbeit mit der terrestrischen Kommunikation entwickelt. Die Entwicklung von Satelliten-Internet-Konstellationen kann in drei historische Phasen unterteilt werden:

Die erste Phase (Ende der 1980er bis 2000) wurde durch das Iridium-System repräsentiert, dessen Ziel der Wiederaufbau eines weltraumgestützten Netzwerks und der Verkauf unabhängiger Satellitentelefone war, um mit den terrestrischen Telekommunikationsbetreibern um Nutzer zu konkurrieren. Die zweite Phase (2000–2014) wurde durch das neue Satellitensystem Iridium repräsentiert, das hauptsächlich als „Lückenfüller“ für die Bodenkommunikation diente und in seinem Umfang begrenzt war. Die dritte Phase (2014 bis heute) basiert auf der von Greg Weller gegründeten MEO-Konstellation „Other 3 Billion“ (O3b), die Fernübertragungs- und Mobilfunk-Backhaul-Dienste für Benutzer weltweit bereitstellt, terrestrische Telekommunikationsbetreiber als Kunden und Partner betrachtet und Satellitennetze als Ergänzung zu terrestrischen Netzen bereitstellt. Die Datenübertragungsrate von O3b und den ausgereiften GEO-Hochdurchsatzsatelliten übertrifft die der Iridium- und Globalstar-Systeme bei weitem. Obwohl ihre Systemkapazität nicht mit Bodenkommunikationsmitteln vergleichbar ist, können sie den grundlegenden Breitbandbedarf in Gebieten decken, die nicht durch Bodeneinrichtungen abgedeckt werden können.

Darüber hinaus haben viele in- und ausländische Unternehmen Pläne für Internet-Konstellationen in niedriger Umlaufbahn vorgeschlagen, und einige Unternehmen haben bereits mit der intensiven Bereitstellung begonnen. Greg Wheeler gründete OneNet im Jahr 2012. OneNet hat sich zum Ziel gesetzt, ein Hochgeschwindigkeitsbreitbandnetzwerk aufzubauen, das die ganze Welt abdecken und Hochgeschwindigkeitsbreitbanddienste in allen Teilen der Welt bereitstellen kann, um die digitale Kluft zwischen verschiedenen Regionen zu überbrücken und ein führender Anbieter im Bereich Satelliteninternet zu werden. Seitdem wurden nacheinander mehrere Pläne für Internet-Konstellationen in niedriger Umlaufbahn vorgeschlagen, um einen Anteil an dem riesigen potenziellen Markt zu erobern. Dazu gehören Starlink, vorgeschlagen von Space Exploration Technologies Corporation, LeoSat, vorgeschlagen von LeoSat, TeleSatLEO von TeleSat aus Kanada, Kuiper von Amazon, das Hongyun-Projekt der China Aerospace Science and Industry Corporation, die Hongyan-Konstellation der China Aerospace Science and Technology Corporation, das integrierte Weltraum-Boden-Informationsnetzwerk der China Electronics Technology Group Corporation und Galaxy von Galaxy Aerospace.

Die von OneWeb vorgeschlagene Internet-Konstellation im niedrigen Orbit

Die anfängliche Konstellation von OneWeb umfasst 648 Satelliten und 234 Backup-Satelliten, sodass sich die Gesamtzahl auf 882 beläuft. Weitere 2.000 Satelliten werden später hinzugefügt, sodass sich die Gesamtzahl der Satelliten auf etwa 2.882 erhöht. Jeder Satellit wiegt 150 kg und verwendet Ku- und Ka-Bänder. Am 22. Juni 2017 gab die Federal Communications Commission der Vereinigten Staaten bekannt, dass sie OneWeb offiziell die Genehmigung zum Eintritt in den US-amerikanischen Breitbanddienstmarkt erteilt habe. Die Merkmale der OneNet-Konstellation bestehen darin, dass sie grundsätzlich eine globale Abdeckung, die Integration mit terrestrischem mobilen Internet und die Herstellung von Satelliten im großen Maßstab erreicht. OneWeb unterschätzte jedoch die Schwierigkeiten bei der Herstellung und dem Start von Satelliten, und der starke Kostenanstieg legte den Grundstein für die heutige Insolvenz.

Starlink plant den Aufbau einer Satellitenkonstellation bestehend aus fast 12.000 Satelliten. Für die Konstellation wurde das Ku/V-Frequenzband ausgewählt. Sie besteht aus einer Konstellation von 4.425 Satelliten in niedriger Umlaufbahn, die in einer Höhe von 1.150 Kilometern (kürzlich auf 550 Kilometer gesenkt) verteilt sind, und einer Konstellation von 7.518 Satelliten in sehr niedriger Umlaufbahn, die in einer Höhe von etwa 340 Kilometern verteilt sind, was zu einer besseren globalen Abdeckung beiträgt.

Die von SpaceX vorgeschlagene Starlink-Konstellation

Die strategische Bedeutung der Entwicklung des Satelliteninternets

Die Entwicklung des Satelliteninternets ist eine wichtige nationale Strategie. Die Einrichtung eines Satelliteninternets ist notwendig, um sich an die zukünftigen Anforderungen des Internet of Everything anzupassen und die nationale Sicherheit aufrechtzuerhalten. Außerdem wird dadurch eine neue Industrie im Wert von Billionen Dollar entstehen.

Erstens wird die Entwicklung des Satelliteninternets der Entwicklung der Weltraumwirtschaft neue Impulse verleihen. Die Entwicklung von Satellitenkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen wird nahtlose globale Internetdienste ermöglichen. Im Vergleich zu Satelliten in geostationären Umlaufbahnen weist es eine kürzere Übertragungsverzögerung und einen geringeren Pfadverlust auf. Im Vergleich zu Glasfaser ist die Installation in Gebieten mit geringer Gewerbedichte einfach und kostengünstig. Derzeit haben weltweit immer noch drei Milliarden Menschen keinen Zugang zum Internet. Satelliteninternet in niedriger Umlaufbahn hat sich zu einer wirtschaftlichen und effizienten Lösung mit breiten Marktaussichten entwickelt und kann die Industrialisierung des kommerziellen Weltraums vorantreiben.

Zweitens wird das Satelliteninternet zu einem der zentralen Punkte der strategischen Spiele der Großmächte werden. Derzeit konkurrieren die Großmächte der Welt um die Vorherrschaft in der zukünftigen terrestrischen Netzwerktechnologie, deren Kerntechnologie 5G ist. Da mein Land derzeit bei 5G eine führende Position einnimmt, beschleunigen die USA nicht nur die Entwicklung der 5G- und 6G-Technologien, sondern ermutigen Unternehmen auch, aktiv Internetkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen zu entwickeln. Dadurch wird das Satelliteninternet zu einer Spitzentechnologie im Wettbewerb zwischen China und den USA um zukünftige technologische Vorteile. Andererseits werden Umlaufbahnen und Frequenzen vor dem Hintergrund der breiten Aussichten für die Entwicklung des Satelliteninternets zu knappen Ressourcen, und die Eroberung von Ressourcen wird auch zu einer wichtigen Triebkraft für die Entwicklung des Satelliteninternets.

Und noch einmal: Satelliteninternet hat ein enormes militärisches Potenzial. In der modernen Kriegsführung kann ein sicheres und effizientes Netzwerk wichtige Garantien für die Ergreifung der Kriegsinitiative bieten, und das Satelliteninternet wird das wichtigste Mittel zur militärischen Befehls-, Kontroll- und Kommunikationsführung sein. In den letzten Jahren hat sich die Technologie für Breitband-Kommunikationssatelliten in niedrigen Umlaufbahnen schrittweise weiterentwickelt, was das US-Militär dazu veranlasst hat, dem Bau und der Nutzung von Konstellationen in niedrigen Umlaufbahnen als Ersatz und Backup für die einzelnen teuren GEO-Satelliten der Vergangenheit immer mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Aufbauend auf dem Projekt „Space Enhanced Operational Effectiveness (SeeMe)“ konzentrierte sich die Advanced Research Projects Agency (DARPA) des US-Verteidigungsministeriums im Geschäftsjahr 2019 auf die Entwicklung des Projekts „Blackjack“. Ziel des Projekts ist es, die von kommerziellen Unternehmen entwickelten kleinvolumigen, leichten, stromsparenden und kostengünstigen Satellitenkonstellationen in niedriger Umlaufbahn voll auszunutzen. Das ultimative Ziel besteht darin, eine hochvernetzte, belastbare und beständige militärische Satellitennutzlast zu schaffen, die dem Militär weltweit kontinuierlich maximale Möglichkeiten zur Fernerkundung, Signalisierung und Kommunikation über den Horizont hinaus bieten kann. Am 1. Juli 2019 veröffentlichte die US-amerikanische Space Development Agency (SDA) eine Informationsanfrage zur Weltraumarchitektur der nächsten Generation. Dem Dokument zufolge wird es aus mehreren Schichten von Strukturen bestehen, die auf einem Netzwerk kleiner Kommunikationssatelliten basieren.

DARPAs Blackjack-Projekt

Schließlich wird die Entwicklung des Satelliteninternets Veränderungen und Innovationen in der Luft- und Raumfahrttechnik fördern. Die Low-Orbit-Internet-Konstellation ist das innovativste System der letzten Jahre im Luft- und Raumfahrtbereich. Die neue Technologie für kleine Kommunikationssatelliten und Bodenterminals, die in diesem Prozess entsteht, wird einen tiefgreifenden Einfluss auf die zukünftige Entwicklung der Satellitentechnologie und der Satellitenanwendungen haben. In der Satellitenherstellung ist der Anteil kommerzieller Geräte in Industriequalität gestiegen und durch Standardisierung und Modularisierung ist eine Massenproduktion kleiner Satelliten möglich geworden, um die Kosten für die Satellitenentwicklung zu senken. Der Bedarf an Starts in großer Zahl von Satelliten hat die Entwicklung kostengünstiger wiederverwendbarer Raketentechnologie gefördert. Diese technologischen Innovationen werden in den traditionellen Luft- und Raumfahrtbereich einfließen und zu einem Motor für die Entwicklung und Transformation der Luft- und Raumfahrtindustrie werden.

Handheld-Terminals für Internet-Konstellationen im niedrigen Orbit

Neue Treiber der Weltraumwirtschaft

Zweifellos wird Satelliteninternet aufgrund der vielschichtigen Marktnachfrage zu einer neuen treibenden Kraft für die Weltraumwirtschaft werden. Zu diesen Anforderungen zählen im Wesentlichen:

1. Erfüllung der Anforderungen von Gebieten, in denen keine terrestrischen Netzwerke verfügbar sind. Dies ist nicht nur eine Forderung der Bewohner dieser Gebiete, sondern auch ein dringendes Bedürfnis der Menschen, die aus Arbeits- und Tourismusgründen in diese Gebiete ziehen und an die Nutzung des Internets gewöhnt sind, darunter Außendienstmitarbeiter bei der Errichtung von Öl- und Gaspipelines, im Verkehrsbau, in der Forstwirtschaft, im Bergbau, auf Bohrinseln usw. Nach Angaben der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) hat fast die Hälfte der Weltbevölkerung noch immer keinen Internetanschluss, insbesondere der größte Teil der afrikanischen Bevölkerung hat noch keinen Internetzugang. Die Internetdurchdringungsrate im Inland beträgt 59,6 %, und 2 % der Verwaltungsdörfer haben immer noch keinen Zugang zu Glasfaser und 4G.

2. Luftfahrt- und Navigationsbedürfnisse. Jedes Jahr gibt es weltweit über 5 Milliarden Flugpassagiere, die einen hohen Bedarf an Internetzugang und ein hohes Konsumniveau haben. Da die Schiffspassagiere viel Zeit fernab der Küste verbringen und einen relativ hohen Internetzugang haben, ist dieser fast schon eine Notwendigkeit. Daher wird erwartet, dass sie die ersten Nutzer von Internet-Konstellationen in niedrigen Umlaufbahnen sein werden. Nach mehreren Jahren der Entwicklung sind die Installations- und Betriebskosten von WLAN-Systemen in der Luftfahrt inzwischen auf ein Niveau gesunken, das fast jede Fluggesellschaft der Welt bereitstellen kann. Allerdings weist das WLAN in vielen Flugzeugen derzeit Probleme auf, beispielsweise langsame Geschwindigkeiten und Einschränkungen beim Datenverkehr. Anfang 2019 gab es weltweit mehr als 95.400 Schiffe. Seeleute auf Schiffen greifen hauptsächlich über maritime Satelliten auf das Internet zu, die sehr teuer sind und eine geringe Verbreitung haben. Im Jahr 2019 erreichte die Zahl der Passagiere auf 272 Kreuzfahrtschiffen weltweit 30 Millionen, und bei den Kreuzfahrtpassagieren bestand eine starke Nachfrage nach dem Internet. Die Gesamtzahl der Fischereifahrzeuge auf See beträgt weltweit etwa 4,6 Millionen und stellt damit die größte potenzielle Kundengruppe für Low-Orbit-Internet-Konstellationen im maritimen Bereich dar.

Internetzugang in Zivilflugzeugen

3. High-End-Benutzeranforderungen, die eine geringe Latenz und einen unterbrechungsfreien Dienst erfordern. Internet-Konstellationen in niedrigen Erdumlaufbahnen können über große Entfernungen kürzere Latenzzeiten bieten. Bei manchen Langstreckenübertragungsszenarien kann es bei der Kommunikation über Satelliten in niedriger Umlaufbahn sogar zu kürzeren Verzögerungen kommen als bei Bodennetzen. Da die Lichtgeschwindigkeit in Glasfasern zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt, ist die Verzögerung bei der Fernübertragung, obwohl das Signal über Satellit Hunderte von Kilometern weiter zurücklegt, immer noch geringer als bei terrestrischen Glasfasern. Daher sind Internet-Konstellationen mit niedriger Umlaufbahn besser für Geschäftsbereiche geeignet, die beispielsweise im internationalen Finanzwesen und im Internet der Fahrzeuge tätig sind und geringe Latenzzeiten und einen unterbrechungsfreien Dienst erfordern.

4. Regierungs- und Landesverteidigungsbedürfnisse. Niedrige Internet-Konstellationen können globale, unterbrechungsfreie und kontinuierliche Kommunikationsdienste bereitstellen und als wichtiges Kommunikationsmittel für staatliche Notfälle, Diplomatie und Landesverteidigung dienen. Regierungs- und Verteidigungsaufträge werden einen wichtigen Eckpfeiler der Constellation-Operationen darstellen.

Die Risiken der Entwicklung von Satelliten-Internetkonstellationen in niedriger Umlaufbahn

Jedes geschäftliche Unterfangen birgt Risiken. „Raten Sie mal, wie viele Satellitenkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen nicht bankrott gegangen sind?“ Im März 2020 stellte Musk diese Frage auf der Satellite Conference 2020 in Washington, USA. Seine Antwort war „Null“ und er scherzte, dass SpaceX daran arbeite, „nicht bankrott zu gehen“.

Am 27. März 2020 beantragte OneWeb beim US-Konkursgericht Insolvenzschutz. OneWeb erklärte, dass es dem Unternehmen aufgrund der Ausbreitung der COVID-19-Epidemie und der Marktturbulenzen nicht gelungen sei, eine Einigung mit seinem Hauptaktionär SoftBank zu erzielen, sodass das Unternehmen die Möglichkeit verpasst habe, neue Investoren zu gewinnen, und gezwungen gewesen sei, ein Insolvenzverfahren einzuleiten. OneWeb konnte, wie auch sein Vorgänger Iridium, dem Schicksal eines Scheiterns auf halbem Weg nicht entgehen. Die Nachricht, dass OneWeb Insolvenz angemeldet hat, kam etwas unerwartet, denn erst vor sechs Tagen waren 34 Satelliten von OneWeb mit einer Sojus-Rakete gestartet, womit die Gesamtzahl der OneWeb-Satelliten auf 74 stieg. OneWeb kündigte an, nach der Insolvenzanmeldung in New York einen Verkauf anzustreben. Durch die Insolvenzanmeldung erhält ein Unternehmen die Möglichkeit, aus der Insolvenz hervorzugehen und seinen Betrieb ohne Schuldenlast fortzuführen.

OneNet startet 34 Satelliten gleichzeitig

Auf jeden Fall hat der Insolvenzantrag von OneWeb ein Alarmsignal für die Risiken von Low-Orbit-Internet-Konstellationen gegeben. Die Hauptrisiken sind:

1. Hohes Anlagerisiko. Obwohl OneWeb derzeit durch Massenproduktion die Kosten für Satelliten senken kann, sind die Startkosten der verwendeten Raketen noch immer sehr hoch und Verzögerungen im Fortschritt haben die Kosten erheblich erhöht. Im Gegensatz dazu hat SpaceX den offensichtlichen Vorteil, dass es mit seiner eigenen Falcon-9-Rakete 60 Satelliten gleichzeitig starten kann, und zwar mit schnellen Fortschritten und geringen Kosten. Das Northern Sky Research Institute (NSR), ein US-amerikanisches Beratungsunternehmen für die Luft- und Raumfahrt, hat anhand des Wirtschaftsindikators der Schuldenquote eine grobe Schätzung der zukünftigen Einnahmen von Internet-Satellitenunternehmen vorgenommen. Bei einer monatlichen Gebühr von 50 US-Dollar pro Haushalt müssten Unternehmen, die künftig Satelliten-Internet-Konstellationen aufbauen, mindestens 10 Millionen Nutzer haben, um Gewinn zu erzielen. Dieses Ziel zu erreichen, ist jedoch sehr schwierig.

SpaceX startet 60 Satelliten gleichzeitig

2. Frequenzkoordination und Landerechte sind sehr schwierig. Die orbitalen Frequenzressourcen von Satelliten sind strategische und knappe Ressourcen für die nationale Entwicklung und bilden die Grundlage für den Aufbau der Weltrauminfrastruktur. Neben der Frequenzkoordination kann die Koordinierung von Fragen der Landerechte schwieriger sein.

3. Konfrontiert mit der Konkurrenz durch Bodenkommunikationssysteme. Die Bodenkommunikation treibt die Entwicklung von 5G energisch voran. Derzeit lässt sich nur schwer vorhersagen, ob es nach der vollständigen Errichtung des Internet-Konstellationssystems in niedriger Umlaufbahn erneut zu einem Rückstand gegenüber der Bodenkommunikation kommen wird. In meinem Land, wo 4G 98 % der Bevölkerung abdeckt, ist dieses Risiko sogar noch größer. Sobald ausländische Satelliten-Internet-Konstellationen erfolgreich eingesetzt werden, wird der chinesische Markt zweifellos zu einem Brennpunkt des Wettbewerbs werden. Dieser grenzüberschreitende globale Internetzugangsdienst wird zwangsläufig zu einem harten Wettbewerb und Problemen im Bereich der Informationssicherheit führen.

4. Der Test der rauen Weltraumumgebung in niedriger Umlaufbahn. Während des Umlaufbahnwechsels müssen Satelliten von Internetkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen häufig hochenergetische Protonenstrahlungsgürtel durchqueren, was große Auswirkungen auf den normalen Betrieb des elektronischen Systems des Satelliten hat und daher hohe Anforderungen an die Strahlungsresistenz des Satelliten stellt. Darüber hinaus besteht für Satelliten die Gefahr einer Kollision mit Mikrometeoriten und Weltraumschrott. Darüber hinaus gibt es eine große Anzahl von Satelliten, und wenn diese nach ihrer Außerdienststellung zu neuem Weltraumschrott werden, werden sie einen großen Einfluss auf die spätere Stationierung von Satelliten haben.

Neue Möglichkeiten für mein Land, die Weltraumwirtschaft zu entwickeln

Die Satellitenkommunikation ist die treibende Kraft und der Kern der Weltraumwirtschaft. China verfügt über ein riesiges Staatsgebiet und sein Meeresgebiet beträgt mehr als 3 Millionen Quadratkilometer. Ein globales Satelliten-Internetsystem ist eine wichtige Lösung, um die digitale Kluft in abgelegenen Gebieten zu schließen, Probleme der Notfallrettung im In- und Ausland zu lösen und die wirtschaftlichen Interessen und die militärische Präsenz unseres Landes auf See zu schützen. Daher ist es von großem strategischen Wert, so schnell wie möglich ein groß angelegtes Satelliten-Internetsystem chinesischer Prägung aufzubauen, das finanziell vom Staat garantiert, von der Regierung organisiert und koordiniert wird und Arbeitsteilung und Zusammenarbeit zwischen Unternehmen beinhaltet.

Am 20. April 2020 hat die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission erstmals Satelliteninternet eindeutig in den Umfang der neuen Infrastruktur aufgenommen, was das Vertrauen der kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie erheblich gestärkt hat. Bei der Umsetzung des Projekts können wir das Modell meines Landes zur Entwicklung von „großen Flugzeugen“ oder das „Beidou“-Modell übernehmen, wir müssen jedoch auch die Rolle privater Unternehmen voll ausschöpfen. Wir sind überzeugt, dass wir unter der Führung des neuen nationalen Systems Mittel und Talente von allen Seiten bündeln, bei der Konzeption und Programmoptimierung des Projekts auf höchster Ebene gute Arbeit leisten, energisch Innovationen vorantreiben und so schnell wie möglich ein Satelliteninternet aufbauen werden, das Erde und Himmel verbindet. Dies wird die Luft- und Raumfahrttechnologie und Weltraumwirtschaft meines Landes mit Sicherheit voranbringen und auf eine neue Ebene heben.