Was machen Datenrelaissatelliten? Wie hat es sich entwickelt?

Die Entwicklung von Datenrelaissatelliten erfordert die Beherrschung vieler einzigartiger Schlüsseltechnologien, was äußerst schwierig ist, weshalb ihre Entwicklung relativ langsam verläuft. Von der Vorstellung des Konzepts für Relaissatelliten durch die USA bis zum Start des ersten Satelliten der ersten Generation vergingen etwa 20 Jahre, und bis zum Start des ersten Satelliten der Konstellation der zweiten Generation vergingen weitere 17 Jahre.

Im Allgemeinen besteht der Entwicklungspfad der Datenrelais-Satellitentechnologie darin, fortschrittlichere Satellitenplattformen einzusetzen, Antennen aufzurüsten, neue Hochfrequenzbandtechnologien und Link-Modulationssysteme einzuführen usw., um die umfassenden Fähigkeiten von Satelliten zu verbessern und den Benutzern mehr Arten von Diensten mit leistungsfähigeren Funktionen bereitzustellen. Gleichzeitig haben unterschiedliche Anwendungsszenarien wie erdnahe Weltraummissionen, Erkundungsmissionen im tiefen Weltraum, Flüge in den erdnahen Weltraum, Ultrahochgeschwindigkeitsflüge in geringer Höhe usw. unterschiedliche Serviceanforderungen an Relaissatelliten gestellt und die Entwicklung von Relaissatelliten vom traditionellen Vollfunktionstyp zum professionellen Typ gefördert. Die großen Weltraummächte fördern kontinuierlich den Aufbau einer neuen Generation von Datenrelais-Satellitensystemen, indem sie die Systemarchitektur erneuern und neue Netzwerk- und Konstellationstechnologien übernehmen, um das Relais-Satellitensystem zu verbessern und den Anforderungen künftiger Weltraummissionen gerecht zu werden.

Relaissatelliten versorgen Raumstationen und andere Raumfahrzeuge

Verbesserung der Satellitenleistung durch technologische Entwicklung vorantreiben

Die Hauptnutzlast von Datenrelaissatelliten sind Antennenarrays. Die Entwicklung der traditionellen vollfunktionalen Relaissatellitentechnologie spiegelt sich hauptsächlich in der Verbesserung der Einzeladresskanalleistung, der Antennenkonfiguration, der Datenübertragungsrate usw. wider.

Zur Nutzlast der ersten Generation von Relaissatelliten in den USA gehört eine S-Band-Multiple-Link-Phased-Array-Antenne bestehend aus 30 Wendelantenneneinheiten und zwei drehbaren S- und Ku-Dualband-Single-Link-Parabolantennen mit 4,9 Metern Durchmesser. Die Inter-Satelliten-Verbindung wird in den Doppelfrequenzbändern S und Ku betrieben, die Satelliten-Boden-Verbindung im Ku-Band. Die Vorwärts- und Rückwärtsrate des S-Band-Mehrfachzugriffs beträgt 300 Kilobit pro Sekunde, die maximale Übertragungsrate des Einzelzugriffs beträgt 10 Megabit pro Sekunde, die Vorwärtsrate des Ku-Band-Einzelzugriffs beträgt 25 Megabit pro Sekunde und die Rückwärtsrate beträgt 150 Megabit pro Sekunde.

Nach der Umstellung vom System der zweiten Generation wurde die Leistung des Relaissatelliten der dritten Generation der USA erheblich verbessert. Es basiert auf der BSS-601HP-Plattform von Boeing und ist außerdem mit zwei Einzeladressenantennen und einer Phased-Array-Antenne mit mehreren Adressen ausgestattet. Die Einzeladressantenne ermöglicht Kommunikation im Ku-, Ka- und S-Band. Die Phased-Array-Antenne verwendet die neue S-Band-Mehrfachzugriffsantennentechnologie und führt neue Modulationsformen ein, wie z. B. Low-Density-Parity-Check-Code, Turbo-Produktcode und 8PSK-Modulation. Die Ka-Band-Übertragungsgeschwindigkeit für Einzeladressenbenutzer erreicht 800 Megabit pro Sekunde.

Mithilfe der Laserkommunikationstechnologie lässt sich die Datenübertragungsrate erheblich verbessern, eine Miniaturisierung, ein geringes Gewicht und einen geringen Stromverbrauch der Kommunikationsnutzlast realisieren, die Empfangsempfindlichkeit verbessern und gleichzeitig die Vorteile einer guten Vertraulichkeit sowie der Entstörungs- und Abhörsicherheit nutzen. Dies ist eine wichtige Richtung für die Entwicklung der Relaissatellitentechnologie. Da die Laserkommunikation stark von atmosphärischen Turbulenzen beeinflusst wird, wird sie hauptsächlich für Verbindungen zwischen Satelliten verwendet und hat mittlerweile das Stadium praktischer Anwendung erreicht. Während der Entwicklungsphase der Relaissatelliten der vierten Generation in den USA wurde klar erklärt, dass Laserverbindungen hinzugefügt werden. Die Übertragungsrate seiner Laserterminals kann 72 Megabit pro Sekunde bis 2,88 Gigabit pro Sekunde erreichen. Beim Einsatz in zukünftigen Relaissatelliten wird eine Übertragungsrate von über 10 Gigabit pro Sekunde erwartet.

Relaissatelliten nutzen Laser zur Datenübertragung

Die ESA ist weltweit führend auf dem Gebiet der Laserverbindungstechnologie für Satellitenrelais. Der erste technisch experimentelle Relaissatellit, der 2001 gestartet wurde, war mit einer Laserkommunikationsnutzlast ausgestattet. Seit April 2003 stellt es Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungsdienste für den französischen optischen Satelliten SPOT-4 und den Radarsatelliten Envisat der ESA bereit. Der Satellit SPOT-4 verwendet eine Laser-Relaisverbindung.

Seit 2016 startet und stationiert die ESA die zweite Generation von Relaissatelliten. Der Satellit EDRS-A ist mit zwei Einzeladressantennen ausgestattet, die Laser- bzw. Ka-Band-Kommunikationsverbindungen zwischen Satelliten ermöglichen. Die Datenübertragungsrate der Laserrücksendung beträgt bis zu 1,8 Gbit/s und die der Ka-Band-Rücksendung bis zu 300 Mbit/s. Der Satellit EDRS-C verfügt nur über ein Laserkommunikationsterminal und seine Anzeigen sind dieselben wie die des Satelliten EDRS-A.

Die Satelliten-Laserkommunikationstechnologie Japans entwickelt sich sehr schnell. Im Jahr 2002 startete Japan seine erste Generation von Datenrelaissatelliten, die mit Intersatellitenverbindungen im S- und Ka-Band und einer Übertragungsrate von 240 Mbit/s ausgestattet waren. Im Jahr 2020 startete Japan seinen zweiten Datenrelaissatelliten und stieg damit direkt in die Phase der optischen Kommunikation ein. Dabei wurde eine Kombination aus optischer Kommunikation und Hochfrequenzkommunikation eingesetzt und Laser sowie die S- und Ka-Frequenzbänder gemeinsam genutzt, um Relaisverbindungen mit Aufklärungssatelliten in niedrigen Umlaufbahnen wie dem „Advanced Optical Satellite“ herzustellen. Die Laserkommunikationsrate erreichte 1,8 Gbit/Sekunde.

Mit der Weiterentwicklung der Technologien für kognitives Radio und softwaredefiniertes Radio und der Verbesserung der Fähigkeiten der Geräte an Bord werden Relais-Satellitenverbindungen adaptiv in Echtzeit auf Grundlage von Interferenzbedingungen, atmosphärischen Umweltbedingungen usw. angepasst, um die beste Übereinstimmung zwischen Verbindungsparametern und Umweltbedingungen zu erreichen, die Datenübertragungskapazität zu erhöhen und Verbindungsmodulationssysteme jederzeit durch Software-Laden entsprechend der Systemnutzung zu aktualisieren und zu verbessern.

Aufbau einer neuen Datenrelais-Satellitensystemarchitektur

Werfen wir zunächst einen kurzen Blick auf den aktuellen Status der Relais-Satellitensysteme in verschiedenen Ländern.

Die Vereinigten Staaten entwickeln derzeit ein Relaissatellitensystem der dritten Generation. Die Relaissatelliten der ersten Generation, TDRS-1 und TDRS-4, wurden aus der Umlaufbahn genommen und verschrottet, während sich die restlichen vier Satelliten noch im Orbit befinden. Die Satelliten der zweiten und dritten Generation mit jeweils drei Satelliten funktionieren normal. Insgesamt befinden sich zehn Relaissatelliten in der Umlaufbahn und bilden das weltweit umfassendste und umfangreichste Relaissatellitensystem. Es erreicht eine globale Abdeckung, wobei die Nutzerraumfahrzeuge fast tausendmal am Tag auf das System zugreifen.

Das russische Relais-Satellitensystem verfügt derzeit über drei „Ray“-Satelliten der zweiten Generation in der Umlaufbahn. Sie sind an drei Knotenpunkten im Osten, in der Mitte und im Westen (167 Grad östlicher Länge, 95 Grad östlicher Länge und 16 Grad westlicher Länge) stationiert und erreichen damit eine quasi-globale Abdeckung. Die Nutzer-Raumfahrzeuge greifen im Durchschnitt fast 100 Mal am Tag auf das System zu.

Das Relaissatellitensystem der ESA besteht aus zwei geosynchronen Satelliten und einem Bodensystem. Um eine regionale Abdeckung zu erreichen, sind die Satelliten in der Nähe des 9. und 31. östlichen Längengrads stationiert. Benutzer-Raumschiffe greifen Dutzende Male am Tag auf das System zu.

Japan verfügt über einen Relaissatelliten im Orbit, der eine regionale Abdeckung gewährleistet, und Benutzerraumfahrzeuge greifen Dutzende Male am Tag auf das System zu. Im Dezember 2021 wurde Chinas Satellit Tianlian-2-02 ins All geschossen, der in Koordination mit der Tianlian-1-Konstellation und dem Satelliten Tianlian-2-01 arbeitete. Infolgedessen hat China sieben Relaissatelliten gestartet und damit das zweite globale Relaissatellitensystem der Welt aufgebaut.

Es muss berücksichtigt werden, dass sich Umfang und Architektur von Relaissatellitensystemen aufgrund unterschiedlicher Anwendungsanforderungen zwischen den Ländern stark unterscheiden.

Relaissatellit vollständig eingesetzt

Die Vereinigten Staaten betreiben die größte Weltraum- und bodengestützte Luft- und Raumfahrtinfrastruktur der Welt. Um die Weltraummissionen in- und ausländischer Partner zu unterstützen, ist aufgrund der enormen Nachfrage das größte weltraumgestützte Relaissystem entstanden, das verschiedenen Benutzern Mess-, Steuerungs- und Kommunikationsdienste bietet, insbesondere um den Bedarf an ständiger Mess-, Steuerungs- und Kommunikationsgarantie für bemannte Raumflüge zu decken. Um eine integrierte Messung und Steuerung von Weltraum und Boden zu erreichen und die Konsistenz mit dem Mess- und Steuerungsfrequenzband des Mess- und Steuerungsnetzwerks am Boden aufrechtzuerhalten, konzentrieren sich die Vereinigten Staaten auf die Entwicklung der S-Band-Mess- und Steuerungstechnologie.

Während der Sowjetzeit wurde eine riesige Weltrauminfrastruktur aufgebaut, die bemannte Raumfahrt energisch weiterentwickelt und ein groß angelegtes Datenrelais-Satellitensystem eingerichtet. Nach dem Jahr 2000 gingen die russischen Weltraumaktivitäten jedoch aufgrund von Finanzierungsengpässen zurück, und auch die Zahl der Relaissatelliten ging stark zurück.

Im Vergleich zu den USA und der Sowjetunion in der Vergangenheit verfügt die ESA über weniger Weltrauminfrastruktur und kann keine bemannten Weltraummissionen eigenständig durchführen. Es entwickelt Relaissatelliten hauptsächlich, um Hochgeschwindigkeits-Downlink-Datenverbindungen zu Satelliten und Niedriggeschwindigkeits-Downlink-Dienste für die Verfolgung von Satelliten, bemannten Raumfahrzeugen und Trägerraketen bereitzustellen. Der Entwicklungsschwerpunkt liegt auf der Anwendung von Mikrowellen- und optischen Kommunikationstechnologien in Intersatellitenverbindungen.

Andererseits entwickeln sich mit der Entwicklung der Satellitentechnologie neben den herkömmlichen Vollfunktionstypen auch Datenrelaissatelliten in Richtung verteilter und spezialisierter Typen.

Weder EDRS-A noch EDRS-C der ESA sind unabhängige Datenrelaissatelliten: EDRS-A ist eine funktional unabhängige Relaisnutzlast, die auf einem Kommunikationssatelliten transportiert wird; EDRS-C ist sowohl ein Relaissatellit als auch Träger von Kommunikationsnutzlasten mit anderen Funktionen und nutzt eine gemeinsame Plattform. Die Kombination dedizierter Satelliten und multifunktionaler Nutzlasten der ESA macht den Aufbau von Relaissatellitensystemen flexibler und vielfältiger und verbessert die Systemstabilität.

Mit der Entwicklung der Kleinsatellitentechnologie und der allmählichen Ausreifung von Ideen zum Aufbau verteilter weltraumgestützter Systeme haben die Vereinigten Staaten vorgeschlagen, dass die nächste Generation von Datenrelaissatelliten nicht alle neuen Technologien in einem einzigen Satelliten integrieren wird, sondern dass sie unterschiedliche Dienste auf mehreren Raumfahrzeugen unter einer neuen Architektur implementieren wird. Dieser „entkoppelte“ Ansatz kann die bestehenden Satellitendienstkapazitäten unabhängig ergänzen und je nach Nachfrage und Technologiereife auch neue Dienste bereitstellen.

Daher kann sich die nächste Generation von Relaissatelliten in viele verschiedene professionelle Richtungen entwickeln, wie etwa Vollfunktion, Relais und Mobil, Messung, Steuerung und Navigation, Hochgeschwindigkeitsdatenrelais und -kommunikation sowie Bereitstellung von Datenübertragung, Relais und anderen Diensten in Form von Konstellationsnetzwerken. Ausbau interplanetarer Kommunikationsrelais Bei der Erforschung des Weltraums sind Gewicht und Leistung der Sonden aufgrund der extrem großen Entfernungen stark eingeschränkt. Die Entwicklung dedizierter Relaissatelliten ist ein notwendiger Weg zur Verbesserung der Explorationsmöglichkeiten. Darüber hinaus kann die Sonde in bestimmten Erfassungsbereichen und Zeiträumen keinen direkten Kontakt mit der Erde herstellen. Wenn die Rückseite des Mondes immer von der Erde abgewandt ist, ist der Südpol des Mondes etwa die Hälfte der Zeit von der Erde aus nicht sichtbar. Die Umlaufbahnen von Planeten wie Mars und Jupiter ähneln stark denen der Erde und sie haben unterschiedliche Umlaufzeiten. Es wird mehrere Monate hintereinander zu einer Blockade und Störung durch die Sonne kommen und die Sonde wird für lange Zeit den Kontakt zur Erde verlieren. Der Start dedizierter Relaissatelliten ist der Schlüssel zur Lösung dieser Probleme.

Der Chang'e-4-Mission gelang die erste weiche Landung einer Sonde auf der Rückseite des Mondes. Voraussetzung für den Erfolg war der Start des Relaissatelliten Queqiao. Im Mai 2018 wurde der Relaissatellit Queqiao ins All geschossen und erreichte die Halo-Umlaufbahn um den Erde-Mond-Punkt L2. Die Umlaufbahn befindet sich auf der Verlängerungslinie Erde-Mond, mehr als 400.000 Kilometer von der Erde und 65.000 Kilometer vom Mond entfernt. Dabei kommt es zu einem geschickten Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft und der Fliehkraft der beiden Himmelskörper Erde und Mond. „Queqiao“ verbraucht nur eine kleine Menge Treibstoff, um die Stabilität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Rückseite des Mondes und die Erde zu „sehen“.

Am 3. Januar 2019 landete die Sonde Chang'e-4 mit Unterstützung von Queqiao erfolgreich im dafür vorgesehenen Bereich auf der Rückseite des Mondes und übertrug Nahaufnahmen der Rückseite des Mondes sowie Arbeitsbilder des Mondrovers Yutu-2 zur Erde. Während der gesamten Mission baute Queqiao eine „Lebensader“ für die Erde-Mond-Kommunikation von Chang'e-4 auf, sorgte für reibungslose Kommunikations- und Datenübertragungsverbindungen, garantierte den reibungslosen Start der Lander- und Rover-Nutzlasten, führte wissenschaftliche Versuchsprojekte durch und übertrug eine große Menge wissenschaftlicher Erkundungsdaten zurück zur Erde.

Bei Chinas Marserkundungsmission ist der Orbiter der Sonde Tianwen-1 mit einer Hochleistungsantenne mit 2,5 Metern Durchmesser ausgestattet. Nach der Trennung von Lander und Rover nahm es Kurs auf die Relaiskommunikationsbahn und führte eine etwa drei Monate dauernde Relaiskommunikationsmission durch, bei der es eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Lander und der Verfolgungs- und Kontrollstation der Erde herstellte und Bilder der Marsoberfläche zur Erde übertrug.

Im November 2021 führte die chinesisch-europäische Marssonde ein In-Orbit-Relaiskommunikationsexperiment durch, bei dem der Marsrover Vulcan Testdaten an den Mars Express-Orbiter der ESA sendete, der die Daten dann an die Deep Space Tracking- und Kontrollstation der ESA und anschließend an das Beijing Aerospace Flight Control Center weiterleitete. Das Experiment war ein voller Erfolg. Bei diesem Test spielte die Sonde Tianwen-1 eine wichtige Rolle.

Mars Express der ESA dient als Kommunikationssatellit zwischen Erde und Mars

Die Menschheit tritt allmählich in das Zeitalter der „Erforschung des Weltraums“ ein, und die Erforschung von Sonne, Mond, Mars, Jupiter und den Rändern des Sonnensystems ist in vollem Gange. Interplanetare Messung, Steuerung, Kommunikation und Navigation sind wichtige Themen, mit denen die Menschheit bei der Erforschung des Sternenhimmels konfrontiert ist.

Durch den Aufbau von Weltraumkommunikations- und Navigationsnetzwerken haben die Vereinigten Staaten umfassende Fähigkeiten zur Weltraumkommunikation und -verfolgung erworben und sind in der Lage, rund um die Uhr in den Tiefen des Weltraums zu kommunizieren. Durch den kontinuierlichen Start von Relaissatelliten für Missionen wie Mond und Mars wird das Sonnensystem nach und nach abgedeckt und die Kommunikationsverbindung zwischen Erde und Mond sowie Erde und Mars zu jeder Zeit und an jedem Ort sichergestellt.

China entwickelt und startet eine universelle interstellare Relais-Kommunikationssatellitenkonstellation, um eine globale Kommunikationsinfrastruktur für die Erforschung des Weltraums zu schaffen und den Weg für das „interstellare Internet“ der Menschheit zu ebnen. In Zukunft soll es nahtlose kommerzielle Mess-, Steuerungs-, Kommunikations- und Navigationsdienste für alle Arten von Weltraumfahrzeugen von der Venus bis zum Asteroidengürtel und sogar der Umlaufbahn des Jupiters bereitstellen.

In Zukunft wird das interstellare Kommunikationsrelaisnetzwerk die grundlegende Unterstützung für die Reise des Menschen durch den Sternenhimmel sein.