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Die
Erfindung betrifft ein System zur angeforderten Übergabe
von an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten oder mehrerer zu einer
Satellitenkonstellation gehörenden Erdbeobachtungssatelliten
erfassten und gesammelten Beobachtungsdaten an eine oder mehrere
Bodenstationen.
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Aus
US 6 271 877 B1 und
US 2003/0095181 A1 sind
beispielsweise derartige mittels Funk betriebene Datenübertragungen
zwischen Satelliten und Bodenstationen zum Zwecke der Erdbeobachtung bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einzelsatelliten und Satellitenkonstellationen
für die Erdbeobachtung. Hierfür vorgesehene Systeme
bestehen gewöhnlich aus einem oder mehreren Satelliten
im LEO (Low Earth Orbit) oder MEO (Middle Earth Orbit), die in einer
oder mehreren Orbitalebenen mit einer hohen Inklination in Bezug
auf den Erdäquator und unterschiedlicher Rektaszension
des aufsteigenden Knotens angeordnet sind. Die Hauptaufgaben jedes
Satelliten sind: Nutzdatenaufnahme von einem bestimmten beobachteten
Zielbereich, Speicherung der aufgenommenen Daten an Bord, Herunterladen
der Nutz- und Organisationsdaten auf eine bestimmte Bodenstation,
Satellitenbus-Instandhaltung, Überwachung und Kommandierung.
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Die
folgenden Systemmerkmale bestimmen in erster Linie den Wert der
Reaktionszeit, d. h. der Zeitdauer, bis ein gewünschtes
Beobachtungsbild eines Zielbereichs bei einer Bodenstation eingetroffen ist:
- • Die Satelliten haben Revisit-Begrenzungen
auf Ziele, da sie in festen Orbits sind, die über einen besonderen
Ort auf der Erde zu bestimmten Zeiten laufen. Ein Ziel muss im Blickfeld
des am Erdbeobachtungssatelliten angebrachten Abbildungssensors
sein, um eine Datenaufnahme auszuführen. Da eine bestimmte
Zeitdauer erforderlich ist, um mit dem Abbildungssensor ein Bild
aufzunehmen, ist eine Abbildungsfensterdauer auch ein wichtiger
Faktor.
- • Die Anzahl und die Dauer verfügbarer Bodenstationskontakte
für jeden Erdbeobachtungssatelliten sind ebenfalls begrenzt.
Die Dauer eines Bodenstationsdurchlaufs begrenzt die Menge der Nutzdaten,
die während eines solchen Übertragungskontaktes
heruntergeladen werden kann, wobei eine Abhängigkeit von
der Download-Datenrate besteht. Ein Bodenstationskontakt ist auch
die einzige Möglichkeit, um die Anforderung eines Bildes
zu einem Satelliten zu kommandieren.
- • Die begrenzte Datenspeicherungsfähigkeit
an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten ist auch die Ursache von
Verzögerungen, weil, wenn der für die Daten der
aufgenommenen Bilder vorgesehene Bordspeicher einmal voll ist, keine
neuen Bilder mehr aufgenommen werden können, ohne dass
jene Daten, die sich bereits im Bordspeicher befinden, vor der nächsten
Download-Möglichkeit während des nächsten
potentiellen Übertragungskontaktes mit einer Bodenstation überschrieben
werden.
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Falls
es nur eine verfügbare Bodenstation gibt, kann die Satellit-Bodenstation-Sichtbarkeitslücke
bis zu zwölf Stunden betragen. Es folgt daraus, dass im
ungünstigsten Fall, wenn eine Bildanforderung eines Nutzers
an die Bodenstation während dieser Lücke kommt
und nur ein Erdbeobachtungssa tellit verfügbar ist, die
Reaktionszeit auf die Anforderung hin bis zu 24 Stunden betragen
kann, da der nächste Bodenstationskontakt die einzige Möglichkeit
ist, diese Anforderung an den Satelliten zu kommandieren.
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Das
Problem kann zum Teil gelöst werden, indem die Anzahl von
Erdbeobachtungssatelliten gesteigert wird, wobei dann eine Konstellation
mit einer optimalen geometrischen Konfiguration gebildet wird, bis
die gewünschte Systemreaktionszeit erreicht wird. Eine
solche Lösung kann aber mit den Etatbedingungen der betreffenden
Mission in Konflikt geraten. Auch die Verfügbarkeit von
mehr als einer Bodenstation kann wegen Etatbeschränkungen
oder aus politischen/strategischen Gründen ausgeschlossen
sein.
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Ein
Hauptqualitätskriterium der durch ein Satellitensystem
zur Erdbeobachtung erzeugten Daten ist eine kurze Systemreaktionszeit,
d. h. die Zeitspanne zwischen der Nutzeranforderung nach einem Bild und
der Verfügbarkeit der bestellten Daten. Ein anderes wichtiges
Kriterium ist das Informationsalter, d. h. die Zeitspanne zwischen
der Sammlung der Daten durch den Erdbeobachtungssatelliten und der
Verfügbarkeit dieser Daten. Auf einem Satelliten gespeicherte
Daten sind nur nach einer Download-Operation verfügbar,
die während eines Kontaktes zwischen dem Satelliten und
einer Bodenstation ausgeführt worden ist.
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Ein
Erdbeobachtungssatellit im LEO muss sonach an Bord Bilddaten speichern,
bis ein Herunterladen von Daten zu einer Bodenstation möglich
ist. Für einen Satelliten im LEO mit einer nicht in den
Polargebieten angeordneten Bodenstation sind Bodenstationskontakte
in Anzahl und Dauer begrenzt (typisch drei oder vier Kontakte pro
Tag mit einer Dauer von weniger als zehn Minuten). Die Systemreaktionszeit
ist insbesondere bei Missionen, die zu einem Katastrophen-Management
oder einer militärischen Aufklärung zweckbestimmt
sind, ein kritischer Parameter.
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Die
Systemreaktionszeit lässt sich erfahrungsgemäß durch
Anwendung einer oder in Kombination mehrerer der folgenden Methoden
verringern:
- 1) Steigerung der Anzahl verfügbarer
Bodenstationen zum Herunterladen und/oder Kommandieren.
- 2) Verwendung einer oder mehrerer in den Polargebieten angeordneter
Bodenstationen (da Beobachtungssatelliten in typischer Weise einen
Orbit von hoher Inklination benutzen).
- 3) Verwendung einer Planungs- und Dispositionstechnologie zum
Erzeugen optimaler Betriebspläne.
- 4) Steigerung der Anzahl von Erdbeobachtungssatelliten: Kleinsatelliten-Konstellationen
im LEO erlauben Beobachtungen mit höheren Wiederholungsraten
und mittleren bis hohen Bildauflösungen.
- 5) TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System)
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Die
vorstehend erwähnten und geläufigen Verbesserungen
sind wegen der zwangsläufig damit verbundenen, unhaltbaren
Zunahme der Missionskosten (bei Anwendung der vorgenannten Punkte
1, 4, 5), wegen technologischer Risiken (bei Anwendung des vorgenannten
Punktes 3) oder aus politischen Grün den (bei Anwendung
der vorgenannten Punkte 2 und 5) nicht praktikabel.
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Da
bei Einhaltung eines wirtschaftlich vernünftigen Missionsaufwands
die Anzahl verfügbarer Bodenstationskontakte sehr begrenzt
ist und die Satellit-Bodenstation-Sichtbarkeitslücke für
einen Erdbeobachtungssatelliten sehr lang andauernd ausfallen und
z. B. im LEO (Low Earth Orbit) bis zu zwölf Stunden betragen
kann, stellt sich die Aufgabe, ein System zur Übergabe
von an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten oder mehrerer zu einer
Satellitenkonstellation gehörenden Erdbeobachtungssatelliten aufgenommenen
und gesammelten Beobachtungsdaten an eine oder mehrere Bodenstationen
so zu gestalten, dass unter Aufbringung eines erheblich geringeren
technischen und kostenmäßigen Aufwandes die Systemreaktionszeit
und das Informationsalter reduziert sind.
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Gemäß der
Erfindung, die sich auf ein System der eingangs genannten Art bezieht,
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere
ausschließlich zur Übergabe von Kommandos von
einer Bodenstation zu einem Erdbeobachtungssatelliten oder zum Überbrücken
zweier Erdbeobachtungssatelliten und/oder zur Datenübergabe
von einem Erdbeobachtungssatelliten zu einer Bodenstation bestimmte
Klein/Mikro-Kuriersatelliten als Intersatelliten-Verbindung/en vorgesehen
sind.
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Die
hier vorgeschlagene Erfindung beruht auf der Verwendung von Intersatelliten-Verbindungen
zur Kommandoübergabe und Datensammlung.
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Insbesondere
besteht die vorliegende Erfindung darin, einen oder mehrere Klein/Mikro-Satelliten
als Hilfssatelliten zu benutzen, die ausschließlich zur Übergabe
von Kommandos von einer Bodenstation zu einem Beobachtungssatelliten
oder zum Überbrücken zweier Beobachtungssatelliten und/oder
zur Datenlieferung von einem Satelliten zu einer Bodenstation bestimmt
sind.
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Die
Intersatelliten-Verbindungen mittels der Hilfssatelliten können
faktisch entweder zum Überbrücken eines Kommandos
von der Bodenstation zu demjenigen Erdbeobachtungssatelliten der
Beobachtungssatelliten-Konstellation, der den frühesten Zugang
zu einem angeforderten Bild hat, aber nicht rechtzeitig kommandiert
werden kann, oder zum Übergeben von Bilddaten von einem
Beobachtungssatelliten zu einem anderen Beobachtungssatelliten mit
einem früheren Bodenstationszugang verwendet werden.
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Dieser
Hilfssatellit bzw. diese Hilfssatelliten, die im Folgenden auch
als "Kurier-Satelliten" bezeichnet werden, können in eine
Beobachtungssatellitenkonstellation eingefügt werden oder
eine unterschiedliche Konstellation in einer unterschiedlichen Höhe
bilden.
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Die
Kurier-Satelliten werden faktisch wie kleine mobile Bodenstationen
verwendet, die sich allerdings entsprechend Relaisstationen in einer Erdumlaufbahn
bewegen.
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Die
Hauptvorteile dieser durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen
Lösung bestehen darin, dass als Kurier-Satelliten sehr
kostengünstige und technisch wenig aufwendige Satelliten
verwendet werden können (Lösung zu den vorher
genannten Punkten 1, 4 und 5), keine weiteren zweckbe stimmten Bodenstationen
oder Beobachtungssatelliten zum Reduzieren der Systemreaktionszeit
notwendig sind (Lösung zu den vorher genannten Punkten
1, 2 und 4) und die Kurier-Satelliten die Leistungsfähigkeit
von bereits betriebenen Erdbeobachtungssatellitenkonstellationen
verbessern können.
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Ein
anderer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass eine Konstellation von Kurier-Satelliten nicht nur zum
Verbessern der Operationen von einer anderen Konstellation von Erdbeobachtungssatelliten
zweckbestimmt werden muss, sondern auch zum Verkürzen der
Kommandierungszeit zu jedem beliebigen anderen aktiven Satelliten, der
um die Erde umläuft und der im Übertragungsbereich
liegt, benutzt werden kann.
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Ein
Kurier-Satellit kann eine oder in möglicher Kombination
mehrere der nachfolgend angeführten Fähigkeiten
aufweisen:
- a) Kommandoübergabe von
einer Bodenstation zu einem Erdbeobachtungssatelliten.
- b) Kommandoübergabe von einem anderen Kurier-Satelliten
zu einem Erdbeobachtungssatelliten.
- c) Datensammlung und -speicherung aus einem Erdbeobachtungssatelliten
und Hinunterladen (Download) auf eine Bodenstation.
- d) Datensammlung und -speicherung aus einem anderen Kurier-Satelliten
und Hinunterladen (Download) auf eine Bodenstation.
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Für
Kurier-Satelliten, die lediglich zur Kommandoübergabe zweckbestimmt
sind, ist der technische Einsatz minimiert, da auf sehr einfachen
Satelliten angebrachte S-Band-Rundstrahl-Antennen diese Aufgabe
erfüllen können. Die Höhe der Kurier-Satelliten
bestimmt auch ihre Anzahl: je größer die Höhe ist,
desto weniger Kurier-Satelliten sind erforderlich, um einen bestimmten Übertragungsbereich
abzudecken, jedoch muss die Sendereichweitenfähigkeit länger
werden. Natürlich müssen die Umlaufbahnen der
Kurier-Satelliten entworfen werden, um eine hohe Durchlaufrate über
der kommandierenden Bodenstation zu erreichen.
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Sollen
Kurier-Satelliten eine Datensammlungsfähigkeit besitzen,
so hat diese Funktion größere Abmessungen und
höhere technische Komplexität der Kurier-Satelliten
zur Folge.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich
auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden
Unteransprüchen angegeben.
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Anhand
der beigefügten 1 bis 6, die verschiedene
Hemisphärenansichten der Erde mit Erdbeobachtungssatelliten
und Kurier-Satelliten zeigen, werden im Folgenden die Hauptkomponenten und
-funktionen eines Systems nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Im
Einzelnen handelt es sich bei den in 1 bis 6 dargestellten
Beispielen um eine Erdbeobachtungssatellitenkonstellation, die aus
vier Erdbeobachtungssatelliten SAT1, SAT2, SAT3 und SAT4 in polaren,
um die Erde E verlaufenden Umlaufbahnen gebildet wird, die auf zwei
senkrecht aufeinander stehende Orbitalebenen verteilt sind. Die Phasendifferenz
zwischen zwei Erdbeobachtungssatelliten in der gleichen Ebene beträgt
180°. Die Differenz der wahren Anomalie von zwei Satelliten
in verschiedenen Ebenen beträgt 90°.
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Es
ist eine fest positionierte Bodenstation BOD zur Bilddaten anfordernden
Kommandoabgabe und zur Datensammlung vorgesehen.
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Es
werden nachfolgend anhand von 1 bis 6 einige
Beispiele der Verwendung von Kurier-Satelliten COURIER 1 bzw. COURIER
1 und COURIER 2 in verschiedenen Orbits und Konfigurationen und
mit unterschiedlichen, kombinierbaren Fähigkeiten beschrieben,
die vorher unter den Punkten a, b, c und d aufgeführt worden
sind.
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1 bis 3 stellen
eine einfache zeitliche Abfolge von Funktionen des Systems unter
Verwendung eines Kurier-Satelliten COURIER 1 dar.
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Zu
dem in 1 dargestellten Zeitpunkt empfängt der
Kurier-Satellit COURIER 1 von der Bodenstation BOD Zeitmarken-Kommandos,
die zum Erdbeobachtungssatelliten SAT1 übergeben werden sollen
und eine Anforderung zur Herstellung von Erdbeobachtungsbildern
beinhalten. Zu dem in 2 dargestellten Zeitpunkt übergibt
der Kurier-Satellit COURIER 1 die Zeitmarken-Kommandos an den Erdbeobachtungssatelliten
SAT1. Nach Anfertigung der kommandierten Bilder im Erdbeobachtungssatelliten
SAT1 werden die diese Bilder betreffenden Daten zu dem in 3 dargestellten
Zeitpunkt vom Erdbeobachtungssatelliten SATT direkt zur Bodenstation BOD
hinuntergeladen, ohne dass der Kurier-Satellit COURIER 1 als Relaisstation
dienen muss.
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4 bis 6 zeigen
andere mögliche Anwendungen von Kurier-Satelliten in einem
System nach der vorliegenden Erfindung.
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Entsprechend
dem in 4 dargestellten Fall sendet der Erdbeobachtungssatellit
SATT Bilddaten zum Kurier-Satelliten COURIER 1, der sie dann zur
Bodenstation BOD hinunterlädt.
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Gemäß dem
in 5 dargestellten Fall übergibt der Kurier-Satellit
COURIER 1 vorher aus der Bodenstation BOD empfangene Zeitmarken-Kommandos,
die eine Anforderung an den Erdbeobachtungssatelliten SAT1 zur Herstellung
von Erdbeobachtungsbildern beinhalten, an den Kurier-Satelliten COURIER
2, der diese Kommandos dann an den Erdbeobachtungssatelliten SAT3 übergibt.
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6 zeigt
einen Zeitpunkt, zu dem der Kurier-Satellit COURIER 1 vorher aus
der Bodenstation BOD empfangene Zeitmarken-Kommandos an den Kurier-Satelliten
COURIER 2 übergibt, der sie an einen der Satelliten, z.
B. SAT1, der Erdbeobachtungssatellitenkonstellation übergibt.
Der Kurier-Satellit COURIER 2 übergibt vorher von einem
Beobachtungssatelliten der Konstellation empfangene Bilddaten an
den Kurier-Satelliten COURIER 1, der sie dann zur Bodenstation BOD
hinunterlädt.
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- BOD
- Bodenstation
- COURIER
1, COURIER 2
- Klein/Mikro-Kurier-Satelliten
- E
- Erde
- SATT,
SAT2, SAT3, SAT4
- Erdbeobachtungssatelliten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6271877
B1 [0002]
- - US 2003/0095181 A1 [0002]