Wie erfolgt eine Live-Übertragung aus dem Weltraum? Was macht Weltraum-WLAN aus?

Am 6. Juli 2021 startete mein Land erfolgreich einen Satelliten namens „Tianlian-1 05“. Verglichen mit den „von der ganzen Nation miterlebten“ Landungen der Raumschiffe Shenzhou XII, Tianwen und Zhurong auf dem Mars erscheint diese Startmission besonders unauffällig. Der Start dieses unscheinbaren Kleinsatelliten ist jedoch eng mit der „Live-Übertragung aus dem All“ der beiden vorherigen verbunden. Lassen Sie uns gemeinsam lernen, wie „Tianlian“ uns „Zhurong“ und „Tianwen“ näher bringt!

Wie kommunizieren Raum und Boden? Warum sollte man zum Einrichten von WLAN einen Satelliten verwenden?

Jeder Start und jede Flugmission eines Raumfahrzeugs erfordert die Verfolgung, Messung und Steuerung der Trägerrakete und des Raumfahrzeugs im Flug. Im Raumflug-Kommando- und Kontrollzentrum werden Tausende von Daten gesammelt, verarbeitet und in auszugebende Anweisungen umgewandelt. Darunter befinden sich häufig hochseetaugliche Messschiffe, die an den Mess- und Kontrollstationen am Boden installiert sind oder auf dem Meer treiben und als „Brücken“ zwischen dem Raumfahrzeug und dem Kommando- und Kontrollzentrum am Boden dienen.

Aufgrund des Einflusses der Erdkrümmung ist die Umlaufbahnabdeckung von Raumfahrzeugen in niedrigen und mittleren Umlaufbahnen am Boden jedoch sehr begrenzt. Mit Ausnahme einiger Satelliten in geostationärer Umlaufbahn müssen andere Raumfahrzeuge, insbesondere Raumfahrzeuge in niedrigen und mittleren Umlaufbahnen, die in einer Höhe von 400 km operieren, über Hunderte von Verfolgungs- und Kontrollstationen verfügen, die gleichmäßig auf der Erdoberfläche verteilt sind, um „alles unter Kontrolle zu halten“. Selbst die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion hätten dies während des Kalten Krieges nicht schaffen können. Der Einsatzort von Schiffen zur Seeverfolgung und -kontrolle ist relativ flexibel, aufgrund der Einflüsse der Schiffsvorbereitung, der Seebedingungen und der Wetterbedingungen ist es jedoch schwierig, alles abzudecken.

Das Raumschiff überquert den chinesischen Luftraum nur für sehr kurze Zeit und die Beobachtungs- und Kommunikationsstationen im Land haben nur begrenzt Zeit, eine effektive Kommunikation aufrechtzuerhalten. Um den Einfluss der Erdkrümmung zu beseitigen, müssen die Tracking- und Kontrollpunkte höher platziert werden und weiter blicken. Aus diesem Grund haben sowohl die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion in der Vergangenheit als auch China heute den Weltraum im Visier und haben Verfolgungs- und Kontrollstationen in geosynchronen Umlaufbahnen in Zehntausenden von Kilometern Höhe platziert.

Für die Wahl dieser Umlaufbahn sind zwei Faktoren wichtig: Einer ist die Synchronisierung. Die Umlaufzeit des Satelliten in dieser Umlaufbahn entspricht der Rotationsdauer der Erde. Daher kann der Satellit in der geosynchronen Umlaufbahn rund um die Uhr mit festen Satelliten-Bodenempfangsstationen kommunizieren, was sehr praktisch ist. Das zweite ist, dass es hoch genug ist. Die meisten Satelliten in niedriger Umlaufbahn, bemannten Raumfahrzeuge und Raumstationen sind in einer Höhe von 100 bis 400 km verteilt. Eine kleine Anzahl von Navigationssatelliten und Blitzumlaufsatelliten befinden sich in einer Höhe von 20.000 km, und die Höhe der geosynchronen Umlaufbahn beträgt bis zu 36.000 km. Mit Ausnahme einiger Raumfahrzeuge in der Erde-Mond-Transferbahn, die besonderer Sorgfalt bedürfen, befinden sich alle anderen Raumfahrzeuge unterhalb der Nase der geosynchronen Umlaufbahn.

In den 1980er Jahren übernahmen die Vereinigten Staaten die Führung beim Start des weltweit ersten Datenrelaissatelliten. und im Jahr 2008 startete mein Land erfolgreich seinen ersten Datenrelaissatelliten „Tianlian-1“ und schloss damit die Lücke im Datenrelais und der weltraumgestützten Messung und Steuerung meines Landes.

Am 25. April 2008 wurde der erste Datenrelaissatellit meines Landes „Tianlian-1 01“ erfolgreich im Satellitenstartzentrum Xichang gestartet.

Bildquelle: Nachrichtenagentur Xinhua/Foto von Li Gang

Verfügbares WLAN „Tianlian“: China soll einen Weltraumdaten-„Router“ haben

Um die Mess- und Steuerungsanforderungen der bemannten Raumfahrt umfassend zu erfüllen, hat mein Land im Jahr 2003 das Projekt für das Relaissatellitensystem Tianlian-1 ins Leben gerufen und gestartet.

Tianlian-1 wurde von der China Aerospace Science and Technology Corporation auf Grundlage der ausgereiften allgemeinen Plattform Dongfanghong-3 entwickelt: Als erste Generation synchroner Satelliten mit Dreiachsen-Stabilisierungstechnologie waren sein Gesamtdesign der gemeinsamen Satellitenplattform, seine Kommunikationskanalantenne, seine Technologie zur vollständigen Dreiachsen-Lagestabilisierung, sein einheitliches Zweikomponenten-Antriebssystem und andere Bereiche auf dem fortgeschrittenen Niveau ähnlicher internationaler Satelliten (mittlere Kapazität) zu dieser Zeit. Seit dem ersten Start im Jahr 1997 und bis zum Beginn der Entwicklung der Tianlian-Satelliten im Jahr 2003 wurden bereits sechs Satelliten erfolgreich gestartet, die die öffentlichen Netzwerkdienste Chinas, VAST-Dienste und bestimmte Aufgaben zur Übertragung von Fernsehsignalen übernahmen. Als ausgereifter und fortschrittlicher Satellit im geostationären Orbit wurde er während der Entwicklung von Tianlian-1 natürlich zur bevorzugten Plattform.

Am 25. April 2008 wurde der Satellit 01 des Systems erfolgreich gestartet und über dem Indischen Ozean positioniert. Anschließend nahm er am Datenrelaisdienst „Shenzhou VII“ teil und schloss diesen erfolgreich ab. Die Satelliten Tianlian-1 02 und 03 wurden 2011 und 2012 erfolgreich gestartet und über dem Westpazifik bzw. Westafrika positioniert. Sie arbeiten gleichzeitig und bilden ein Ortungs- und Datenrelais-Satellitensystem mit Bodenanwendungssystemen, Relaisterminals usw. China ist damit das dritte Land weltweit, das ein solches Relais-Satellitensystem aufgebaut hat, und derzeit nur eines von zwei Ländern, das über ein solches System verfügt, das eine globale Abdeckung für Raumfahrzeuge in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen gewährleistet.

Da die geplante Lebensdauer der Tianlian-1-Satellitenplattform acht Jahre und die geplante Lebensdauer ihres Subsystems sechs Jahre beträgt, befinden sich die ursprünglichen Tianlian-1 01~03-Satelliten bereits viele Jahre über ihre Lebensdauer hinaus im Orbit und müssen dringend ersetzt werden. Aus diesem Grund hat mein Land im Jahr 2016 und in diesem Jahr die Satelliten Tianlian-1 04 bzw. 05 gestartet, um die Relaissatelliten zu ersetzen, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hatten, und nahm an den Mondlandungs- und Marserkundungsmissionen meines Landes teil.

Der Relaissatellit Tianlian-2 basiert auf der Satellitenplattform Dongfanghong-4 und seine Transportkapazität und Lebensdauer sind im Vergleich zum Tianlian-1 erheblich verbessert.

Um eine Datenbrücke für die erste menschliche Erkundung der Rückseite des Mondes zu bauen, startete mein Land im Dezember 2018 außerdem den Relaissatelliten Queqiao, den ersten dedizierten Relaiskommunikationssatelliten meines Landes und der Welt außerhalb der Erdumlaufbahn. Das Bild zeigt die Chang'e-4-Sonde und den Yuetu-Rover, die erfolgreich mit dem Weltraum „WALN“ der chinesischen Weltraumverfolgung und -kontrolle verbunden wurden. Der Dienst von Queqiao und Tianlian-2 hat den Relaissatelliten meines Landes in die Ära „2.0“ gebracht.

Die „Straße zum Himmel“ ist belebt, aber nicht überlastet: Wie kann die „Internetgeschwindigkeit“ im Weltraum erhöht werden?

In der frühen Raumfahrttelemetrie meines Landes wurde für die Kommunikation mit Raumfahrzeugen ein System namens „einheitliches S-Band-Tracking- und Kontrollsystem“ verwendet. Dies ist auch der Ursprung des „USB-Tracking ist normal“, das wir oft in Live-Übertragungen hören. Allerdings führte die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Ausrüstung an Bord jedes Raumfahrzeugs auch zu einer Zunahme der abgerufenen Datenmenge und die ursprüngliche S-Band-Bandbreite reichte zunehmend nicht mehr aus, sodass die Ingenieure ihre Aufmerksamkeit auf Telemetriesysteme mit höherer Frequenz richteten. Aus Sicht der elektromagnetischen Welleneigenschaften gilt: Je kürzer die Wellenlänge und je schmaler der Strahl, desto höher die Frequenz, desto größer die Bandbreite und desto schneller die Übertragungsgeschwindigkeit. Das Ka-Band, das in der traditionellen Satellitenkommunikation verwendet wird, ist natürlich die erste Wahl für weltraumgestützte Messung und Steuerung.

Tianlian-1 wurde mit einer S/Ka-Band-Dual-Feed-Parabolantenne ausgestattet, um S- und Ka-Band-Intersatellitenverbindungen zu unterstützen. Durch den Eintritt in das Millimeterwellenband kann seine Bandbreite im Vergleich zum S-Band um mehr als zwei Größenordnungen erhöht werden, und auch die Übertragungsrate wurde erheblich verbessert. Die Downlink-Rate einer Verbindung der Tianlian-Satellitensystemkommunikation kann 1,2 Gbit/s erreichen. Die Satelliten-Relay-Bodenstation empfängt Weltraumdaten in Echtzeit, überträgt sie dann an das Flugkontrollzentrum in Peking und verteilt sie dann automatisch entsprechend verschiedener Kennungen, mit einer Verzögerung von nur wenigen Sekunden. Dies ist auch der Grund, warum die Übertragungsbilder von Shenzhou 10 vom hängengebliebenen und nur wenige Minuten dauernden „PPT“ von Shenzhou V auf den relativ flüssigen „Live-Unterricht“ umgestellt wurden.

Aufgrund der Anforderung einer Hochgeschwindigkeitsübertragung ist der Strahl der entsprechenden Antenne sehr schmal. Je kürzer die Arbeitswellenlänge, desto höher ist die erforderliche Formgenauigkeit der Antennenreflexionsoberfläche. Um eine hohe Verstärkung zu erzielen, muss die Antenne eine ausreichend große elektrische Größe (Antennendurchmesser/Arbeitswellenlänge) aufweisen. Tianlian-1 verwendet eine flexible Netzantenne aus Aluminiumlegierung, um eine ausreichend große elektrische Größe bei begrenztem Antennenvolumen zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde es zur größten elektrischen Kommunikationsantenne, die von den Satelliten meines Landes getragen wurde. Es arbeitet außerdem mit der integrierten Closed-Loop-Erfassungs- und Verfolgungstechnologie zusammen, um sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Raumfahrzeuge des Benutzers zu erfassen und zu verfolgen.

Die Antenne des Queqiao-Relaissatelliten wird debuggt. Quelle: Offizielle Website der China Aerospace Science and Technology Corporation

Die Relaissatelliten Tianlian-2 und Queqiao nutzen die Technologie der Verdrillung extrem feiner, vergoldeter Molybdändrahtfasern mit hoher Festigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohem Reflexionsvermögen, wodurch die Größe der Antenne weiter erhöht und das Gewicht um fast 90 % reduziert wird.

Da die Rakete „Tianwen-1“ meines Landes auf dem Weg zum Mars ist und damit die Ära der Erforschung des Weltraums in meinem Land einläuten soll, muss die Mess- und Kontrolldistanz auf 800.000 bis 1 Milliarde Kilometer Weltraum erweitert werden. Zur Unterstützung der erforderlichen Mess- und Steuerungsübertragungsfunktionen mit großer Kapazität und extrem großer Entfernung wird eine Antenne der 70-Meter-Klasse benötigt. Es ist nahezu unmöglich, eine Antenne dieser Größe auf dem Satelliten zu errichten. Daher experimentierte mein Land während der Zeit, als der Relaissatellit Queqiao die Mondlandemission Chang'e-4 unterstützte, auch mit der Intersatelliten-Laserverbindungstechnologie für Ultralangstreckenkommunikation. Das leichte und kompakte Laserkommunikationsterminal an Bord bietet dank der Eigenschaft, dass Laser mehrere Größenordnungen breiter sind als Mikrowellen, eine enorme Kapazität zum Informationsaustausch und erreicht eine Datenübertragung mit 1 Gbit/s im Weltraum über Tausende von Kilometern Entfernung, sodass in Zukunft auch die Sonden meines Landes, die zu Exoplaneten an verschiedenen Orten reisen, „WIFI-Dienste“ nutzen können.

Wie ermöglicht Tianlian einen „gemeinsamen Hotspot“, wenn mehrere Raumfahrzeuge gleichzeitig online sind?

Relaissatelliten werden hoch oben installiert und haben eine weite Sicht, sodass sie naturgemäß mehr Raumfahrzeuge im Auge behalten müssen als Bodenverfolgungs- und Kontrollstationen. Insbesondere aufgrund der in den letzten Jahren gesunkenen Startkosten für Raumfahrzeuge wird die Zahl der Raumfahrzeuge im Orbit in absehbarer Zukunft explosionsartig ansteigen, was höhere Anforderungen an die Mehrfachzugriffsfähigkeiten des Relais-Satellitenverfolgungs- und -steuerungsnetzwerks stellt. Allerdings sind die Kommunikationsbandbreitenressourcen von Relaissatelliten begrenzt. Verschiedene Raumfahrzeuge haben unterschiedliche Datenraten, Modulationsmethoden, Bandbreiten und Dopplerverschiebungen. Daher ist die Frage, wie mehreren Benutzern die effiziente gemeinsame Nutzung von Verbindungsressourcen ermöglicht werden kann, eine zentrale Frage, die gelöst werden muss, damit das Mess- und Steuerungsnetzwerk Dienste für mehrere Raumfahrzeuge unterstützen kann.

Schematische Darstellung der Simulation von Flugzeugen verschiedener Benutzer, die sich das Mess- und Steuerungsnetzwerk teilen

Als Reaktion auf das Problem der begrenzten Anzahl und Kapazität von Relaissatellitennutzlasten wurde für Tianlian ein effizienteres On-Demand-Zugriffssystem für das weltraumgestützte Verfolgungs- und Kontrollnetzwerk entwickelt. Zur Zuweisung von Tracking- und Kontrollressourcen wurde eine hybride kostenlose/On-Demand-Zuweisungsstrategie (CFDAMA) verwendet. Bei geringer Kanalauslastung werden Zeitschlitzressourcen überwiegend durch freie Zuteilung bezogen. Bei hoher Kanalauslastung erfolgt die Zuweisung von Zeitschlitzen hauptsächlich durch das Senden von Ressourcenreservierungsanfragen auf Anfrage.

Normalerweise leitet der Relaissatellit das Datenpaket transparent an die entsprechende Relaissatelliten-Bodenstation weiter. Die Bodenstation des Relaissatelliten leitet das Datenpaket über das Bodennetzwerk direkt an das Bodenressourcenplanungszentrum weiter und sucht entsprechend der Verbindungssequenz zwischen dem Benutzerflugzeug und dem Relaissatelliten nach der verfügbaren Kommunikationszeitspanne zwischen dem Benutzerflugzeug und dem aktuellen Relaissatelliten, generiert die entsprechenden Anweisungen für den Datenübertragungsdienst, löst den Zeitgeber zum geplanten Zeitpunkt aus und sendet die Anweisungen für den Datenübertragungsdienst an das Benutzerflugzeug. Nach Erhalt der Anweisungen führt das Benutzerflugzeug den Datenübertragungsdienst-Backhaul durch. Durch diesen Betriebsmodus kann die Auslastung des Tianlian-Kanals maximiert werden, was theoretisch 256 Benutzerflugzeugen helfen kann, Verbindungsressourcen effizient gemeinsam zu nutzen.

Durch den Start von Tianlian wurde in Zusammenarbeit mit Bodenverfolgungs- und Kontrollstationen im In- und Ausland und dem Vermessungsschiff Yuanwang das Luft- und Raumfahrtverfolgungs- und Kontrollnetzwerk meines Landes weiter ausgebaut. Es hat uns auch verständlich gemacht, dass die menschlichen Weltraumaktivitäten von der einfachsten „Übertragung von Kurznachrichten“ zur „Live-Videoübertragung“ aufgewertet wurden, sodass der Weltraum nicht mehr weit von uns entfernt ist. Mit der explosionsartigen Zunahme der Satellitenanzahl, den ersten Anfängen des Baus von Raumstationen und der kontinuierlichen Beschleunigung der Erforschung des Weltraums wird auch die Nachfrage nach den Kommunikations- und Servicekapazitäten von Relaissatellitensystemen von Tag zu Tag steigen. In Zukunft wird mein Land über immer leistungsfähigere „Tianlian“-Netzwerke verfügen, die verbesserte, schnellere und weiter reichende Kommunikationsdienste für Raumfahrzeuge bereitstellen.