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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen sowie ein Verfahren zur Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kommunikation zwischen einer erdnahen zurückkehrenden Plattform (ezP) und einer erdfernen Plattform (eS). Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen den beiden Kommunikationsplattformen unter Verwendung einer bidirektionalen unsymmetrischen Kommunikationsverbindung.
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Derzeit bekannt sind unterschiedliche Kommunikationsverfahren um zwischen Kommunikationsplattformen eine Kommunikationsverbindung auszubilden und aufrecht zu erhalten. Insbesondere mobile Kommunikationsplattformen, beispielsweise Kommunikationsplattformen, ausgebildet als Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, und Satelliten, verwenden meist aufgrund der relativen Beweglichkeit von Kommunikationsplattformen zueinander drahtlose Kommunikationsverbindungen. Solche Kommunikationsverbindungen mögen beispielsweise elektromagnetische Wellen verwenden und als Funkkommunikationsverbindung oder optisches Übertragungsverfahren, beispielsweise unter Verwendung von Laserlicht einer definierten Wellenlänge, ausgebildet sein.
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DE 10 2005 000 937 A1 beschreibt ein System zur bidirektionalen Vollduplex-Freiraum-Datenübertragung zwischen mobilen Kommunikationspartnern, welches für den Sende- und Empfangssignalweg mit einer gemeinsamen Teleskopapertur und mit einer Einrichtung zur Ausrichtungseinstellung versehen ist und bei dem die Trägerwellenlänge des Sendesignals gegenüber derjenigen des Empfangssignals unterschiedlich ist.
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US 6 778 779 B1 beschreibt ein Verfahren für eine Vollduplex-Kommunikation bei welcher ein Paar von Datenmodulationsformaten jeweils für die Aufwärts- und Abwärtsstrecke gewählt wird, so dass die elektromagnetische Welle der Aufwärtsstrecke als Träger für die Daten der Abwärtsstrecke dient.
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Bekannt sind Verfahren zur Kommunikation zwischen Satelliten in gleichen Erdumlaufbahnen (LCTSX) bzw. unterschiedlichen Erdumlaufbahnen (EDRS, SPOT4 ARTEMIS), zwischen Satelliten und bemannten Luftfahrzeugen (ARTEMIS FALCON), unbemannten Flugzeugen oder UAVs (LCT UAV) sowie zwischen Satellit und einer Bodenstation auf der Erdoberfläche (ARTEMIS OGS, LCTSX OGS).
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Entsprechende Kommunikationsverfahren ermöglichen eine Informationsübermittlung zwischen den einzelnen Kommunikationsplattformen. Diesen bekannten Kommunikationsverfahren ist gemein, dass die verwendeten Verfahren bzw. die Kommunikationsverbindung als solche symmetrisch ausgebildet ist. In anderen Worten sind die verwendeten Methoden in einen ersten Link bzw. einer ersten Teil-Kommunikationsverbindung, zum Beispiel einem Aufwärtslink oder Uplink zwischen einer erdnahen Plattform und einem Satelliten als auch in einem zweiten Link oder einer zweiten Teil-Kommunikationsverbindung, beispielsweise einem Abwärtslink oder Downlink zwischen Satellit und erdnaher Plattform, identisch in den verwendeten Prinzipien, insbesondere bezüglich Modulationsart und/oder implementierter Datenrate.
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Hierbei ist jedoch festzustellen, dass der Kommunikationskanal zwischen zwei solchen Plattformen, beispielsweise zwischen einer erdnahen Plattform und einem Satelliten, jedoch selbst nicht symmetrisch aufgebaut ist. Insofern mag es vorteilhaft erscheinen, die Kommunikationsverbindung zwischen zwei Plattformen stärker an die mögliche Unsymmetrie eines Kommunikationskanals anzupassen.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine an spezielle Besonderheiten einer Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen angepasste Kommunikationsverbindung bereitzustellen.
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Dies Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 8, 9 und 10 gelöst.
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Beispielsweise ist eine solche Kommunikationsverbindung eine Laserkommunikationsverbindung zwischen einem Satelliten und einer erdnahen, insbesondere zurückkehrenden Plattform. Der Satellit oder allgemein die erdferne Plattform ist hierbei insbesondere eine Plattform zum Betrieb außerhalb der Erdatmosphäre, insbesondere in einem Low Earth Orbit (LEO) oder einem geostationären Orbit (GEO), während die erdnahe, insbesondere zurückkehrende Plattform, eine Plattform zum Betrieb in der Erdatmosphäre oder an deren Begrenzung, insbesondere ein Luftfahrzeug, weiter insbesondere ein Flugzeug ist. Die Verwendung weiterer Luftfahrzeuge, wie beispielsweise ballon- bzw. zeppelinähnliche Luftfahrzeuge oder dergleichen ist ebenfalls denkbar.
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Insbesondere vorteilhaft ist hierbei die Verwendung von unterschiedlichen Signalmodulationsarten, die eine effektive und breitbandige, bidirektionale Kommunikationsverbindung zwischen einer erdfernen Plattform und einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform ermöglichen. Hierzu werden unterschiedliche Kommunikationsarten, z.B. angepasst an die Unsymmetrie des Übertragungskanals zwischen erdferner Plattform und erdnaher, zurückkehrender Plattform, verwendet.
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Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einer unterschiedlichen Kommunikationsart gesprochen wird, so soll dies insbesondere nicht als eine ausschließliche Unterscheidung in einer möglichen bzw. realisierten Datenrate verstanden werden, sondern vielmehr bezogen sein auf eine unterschiedliche technische Implementierung einer jeden Teil-Kommunikationsverbindung, beispielsweise unter Verwendung von unterschiedlichen Signalmodulationsarten bzw. Übertragungsverfahren, welche im Ergebnis jedoch als Resultat unterschiedliche Datenraten nach sich ziehen können.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird somit eine unsymmetrische Kommunikationsverbindung auf eine unterschiedliche Kommunikationsart bzw. auf ein unterschiedliches Kommunikationsverfahren je Teil-Kommunikationsverbindung bezogen, insbesondere nicht auf eine unterschiedliche Datenrate der jeweiligen Teil-Kommunikationsverbindung bei gleicher Kommunikationsart bzw. bei gleichem Kommunikationsverfahren.
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Somit soll die Kommunikationsverbindung zwischen zwei Kommunikationsplattformen als bidirektionale, unsymmetrische Kommunikationsverbindung durch Verwendung unterschiedlicher Kommunikationsarten bzw. Übertragungsverfahren für eine erste Teil-Kommunikationsverbindung und eine zweite Teil-Kommunikationsverbindung realisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht in diesem Zusammenhang besondere Gegebenheiten einer Laserkommunikation zwischen einem Satelliten und einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform, insbesondere unter Berücksichtigung von Kosten und Effizienz für ein im Weltall auf dem Satelliten installiertes Laserkommunikationsterminal sowie entsprechenden Kosten und Komplexität für ein Laserkommunikationsterminal auf einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform in Betracht, unter besonderer Berücksichtigung der Besonderheiten einer Laserkommunikation durch die Erdatmosphäre bzw. zwischen Erdatmosphäre und Weltraum.
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Demgemäß wird ein System zur Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen, ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform und einer entfernten Plattform sowie eine erdnahe, zurückkehrende Plattform und eine erdferne Plattform gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein System zur Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen bereitgestellt, aufweisend eine erdnahe, zurückkehrende Plattform (ezP) und eine erdferne Plattform (eS), wobei zwischen den beiden Plattformen eine Kommunikationsverbindung eingerichtet ist, wobei die Kommunikationsverbindung als bidirektionale, unsymmetrische Kommunikationsverbindung ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform und einer erdfernen Plattform bereitgestellt, aufweisend kommunizieren zwischen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform und der erdfernen Plattform unter Verwendung einer bidirektionalen, unsymmetrischen Kommunikationsverbindung.
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Gemäß der Erfindung wird eine erdnahe, zurückkehrende Plattform bereitgestellt, ausgebildet zur Kommunikation mit einer erdfernen Plattform unter Verwendung einer bidirektionalen, unsymmetrischen Kommunikationsverbindung.
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Gemäß der Erfindung wird eine erdferne Plattform bereitgestellt, ausgebildet zur Kommunikation mit einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform unter Verwendung einer bidirektionalen, unsymmetrischen Kommunikationsverbindung.
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Gemäß der Erfindung ist auf der erdfernen Satellitenplattform und der erdnahen, zurückkehrenden Plattform jeweils ein Laserkommunikationsterminal (LCT) installiert. Hierbei weist das Laserkommunikationsterminal der erdfernen Plattform zumindest die besonders effiziente Empfangsmethode des Überlagerungsempfangs als auch zumindest die Sendemethode der Amplitudenmodulation auf. Weiterhin stellt das Laserkommunikationsterminal der erdnahen, zurückkehrenden Plattform zumindest die Sendemethode des Überlagerungsempfangs als auch zumindest die Empfangsmethode der Amplitudenmodulation bereit. Überlagerungsempfang ist in diesem Zusammenhang als optischer Überlagerungsempfang, weiter insbesondere der homodyner, optischer Überlagerungsempfang mit Phasenmodulation zu verstehen.
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Das Kommunikationsverfahren der vorliegenden Erfindung, Amplitudenmodulationsempfang der erdnahen, zurückkehrenden Plattform sowie Überlagerungsempfang der erdfernen Plattform, bietet Vorteile, die jeweiligen Sendeeinheiten der anderen Plattform, bezogen auf den Kommunikationskanal zwischen erdnaher, zurückkehrender Plattform und erdferner Plattform, ideal auszubilden und einzusetzen.
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Die Aussendung eines Laserstrahls der Sendeeinheit der erdnahen, zurückkehrenden Plattform in Richtung der erdfernen Plattform wird, ausgehend von der erdnahen, zurückkehrenden Plattform, zunächst durch die Atmosphäre gestört, da angenommen wird, dass die erdnahe, zurückkehrende Plattform innerhalb der Erdatmosphäre operiert. Außerhalb der Erdatmosphäre, oberhalb der Kármán-Linie, wird durch die weitere Ausbreitung des Laserstrahls im luftleeren Weltraum die Wellenfront des Laserstrahls jedoch sogar verbessert, da atmosphärische Störungen im Allgemeinen kleinräumig sind und deshalb bei der weiteren Propagation derartige Störungen aus dem Laserstrahl herausgebeugt werden, bis dieser an der erdfernen Plattform empfangen wird. Somit ist die von der erdfernen Satellitenplattform empfangene Wellenfront im Wesentlichen störungsfrei und somit geeignet für kohärenten Empfang.
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Im umgekehrten Fall, somit dem Senden von der erdfernen Plattform zur erdnahen, zurückkehrenden Plattform, erfährt der Laserstrahl der erdfernen Plattform zunächst eine störungsfreie Propagation durch den Weltraum, wird allerdings eventuell auf den letzten Teilabschnitt des Weges, somit den letzten Kilometern durch die Erdatmosphäre von dieser beeinträchtigt. Der Empfang, basierend auf Amplitudenmodulation, ist jedoch unempfindlich gegen Phasenfrontstörungen, wie sie beispielsweise durch die Erdatmosphäre verursacht werden, und kann somit auch mit Empfangsoptiken mit geringer Qualität und damit geringen Kosten realisiert werden.
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Das Kommunikationsverfahren der Erfindung verwendet somit im Uplink zwischen erdnaher, zurückkehrender Plattform und erdferner Plattform den Überlagerungsempfang in Form der Phasenmodulation, im Downlink zwischen erdferner Plattform und erdnaher, zurückkehrender Plattform die Amplitudenmodulation.
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Somit stellt sich das Übertragungsverfahren in Bezug auf Uplink und Downlink in der Verwendung des jeweiligen Übertragungsverfahrens unsymmetrisch dar. Hieraus resultiert gleichzeitig eine im Wesentlichen um Faktor 10 geringere Datenrate im Downlink als im Uplink, da unter Verwendung der Phasenmodulation eine höhere Datenrate, beispielsweise im Bereich von 2 bis 6 GBit/s, insbesondere 2,8 GBit/s gegenüber einer Datenrate im Downlink von 100 bis 200 MBit/s realisierbar ist. Gleichzeitig lässt sich auch die verwendete Übertragungsleistung entsprechend der jeweiligen Plattform anpassen. So mag beispielsweise die erdferne Plattform zur Kommunikation eine Leistung im Bereich von 1 bis 5 W, beispielsweise 1,5 W verwenden, während die erdnahe, zurückkehrende Plattform im Bereich von 20 bis 30 W senden mag.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich somit insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Informationen sammelnde Plattformen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform, welche unter Verwendung der erdfernen Plattform, beispielsweise als Relaisstation, an eine weitere Station weitergeleitet werden mögen. Die weitere Station mag hierbei beispielsweise eine Satellitenbodenstation oder eine weitere erdferne Plattform bzw. ein weiterer Satellit sein, der ebenfalls als Relaisstation operiert und so die mögliche Reichweite der Datenübertragung vergrößert, beispielsweise durch einen dortigen Downlink an eine Bodenstation, welche von der eigentlichen, mit der erdnahen, zurückkehrenden Plattform verbundenen erdfernen Plattform nicht erreichbar wäre.
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Die erdnahe, zurückkehrende Plattform mag hierbei beispielsweise ein unbemanntes Aufklärungsflugzeug (UAV) sein, welches seinerseits über verschiedene Detektoren bzw. Kamerasysteme Informationen sammelt, beispielsweise Bildinformationen der Erdoberfläche. Die hierbei anfallenden, möglicherweise großen Datenmengen werden über den im Vergleich zum Downlink schnellen Uplink an die erdferne Plattform zur weiteren Verteilung bzw. Weiterleitung gesendet. Diese Verbindung mag hierbei im Wesentlichen permanent online oder auch mit Unterbrechungen realisiert sein.
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So mag die erdnahe, zurückkehrende Plattform ihrerseits die gesammelten Informationen zwischenspeichern und nur fallweise, wenn beispielsweise eine Kommunikationsverbindung mit der erdfernen Plattform aufgebaut ist, an diese weitergeben.
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Ein mögliches Szenario mag hierbei sein, dass eine Mehrzahl von erdnahen, zurückkehrenden Plattformen in einem ähnlichen Gebiet operieren und die jeweils gesammelten Informationen reihum zu bestimmten Zeitpunkten an die erdferne Plattform weitergeben. Somit lässt sich mit einer erdfernen Plattform eine Mehrzahl von erdnahen, zurückkehrenden Plattformen bedienen. Eine hierzu notwendige Repositionierung zumindest des Laserterminals auf der erdfernen Plattform in Relation zu einem bestimmten UAV mag in diesem Zusammenhang als bekannt angenommen werden und wird im Weiteren nicht näher erläutert.
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Kommunikationsgeräte auf der erdfernen Plattform, beispielsweise ein Laserkommunikationsterminal auf einem Satelliten, mögen durch die Gegebenheiten der Anwendung im Weltraum besonders optimiert sein, beispielsweise in Bezug auf Leistungsaufnahme, Empfindlichkeit eines Empfängers, Gewicht sowie Platzbedarf. Erwartete lange, wartungsfreie Betriebszeiten, beispielsweise acht Jahre oder 15 Jahre für niedrig fliegende bzw. geostationäre Plattformen, hohe Entwicklungskosten, geringe Stückzahlen sowie hohe Startkosten legen die Entwicklung und Verwendung von aufwendigen, hocheffizienten Empfangseinheiten nahe.
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Der optische Überlagerungsempfang, insbesondere der homodyne, optische Überlagerungsempfang mit Phasenmodulation, mag hierbei als eine der empfindlichsten und effizientesten Empfangsverfahren angesehen werden. In anderen Worten mag beim Überlagerungsempfang die geringste Anzahl an empfangenen Photonen die Detektion eines empfangenen Bits erlauben. Beispielsweise mögen für ein Überlagerungsempfangselement neun Photonen je Bit bei einer Bitfehlerrate von 10–9 ausreichen. Andere optische Kommunikationsverfahren mögen mindestens eine um Faktor 2 höhere Photonenanzahl je Bit benötigen, was beispielsweise eine vergrößerte Empfangsapertur, welche gleichzeitig die Masse eines Laserkommunikationsterminals auf der erdfernen Plattform vergrößern mag, benötigen würde.
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Der optische Überlagerungsempfang mag im Weiteren als besonders störsicher angenommen werden, da er weder durch Sonneneinstrahlung noch durch gezielte Beleuchtung mit Laserlicht, welches nicht exakt der Frequenz und Richtung der Sendeeinheit des weiteren Laserkommunikationsterminals entspricht, gestört werden mag. Somit mag der Empfang von einem Laserkommunikationsterminal, angeordnet auf einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform, bzw. der hierdurch übermittelten Informationen im Uplink zum Laserkommunikationsterminal der erdfernen Plattform auch bei möglichen Störmaßnahmen durch die Verwendung der Kommunikationsart bzw. des Kommunikationsverfahrens der homodynen Übertragung gewährleistet sein.
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Ein Laserkommunikationsterminal einer erdfernen Plattform, welches sowohl die Sendemethoden der Amplitudenmodulationskommunikation als auch der Überlagerungskommunikation aufweist, ist weiterhin in der Lage, sowohl mit einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform als auch mit weiteren erdfernen Plattform, zum Beispiel einem Erdbeobachtungssatelliten oder weiter entfernten Relaisstationen mit hoher Datenrate über kohärente Sende- und Empfangsmethoden zu kommunizieren und gleichzeitig eine erdnahe, zurückkehrende Plattform, angepasst an deren spezifische Anforderungen, zum Beispiel wartbar, kleiner, leichter und kostengünstiger, zu bedienen.
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Ein Laserkommunikationsterminal auf einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform mag grundsätzlich andere Randbedingungen erfordern als ein Laserkommunikationsterminal auf einer erdfernen Plattform. Beispielsweise mag es gefordert sein, die Kosten für ein erdnahes, zurückkehrendes Terminal wesentlich geringer als für ein Laserkommunikationsterminal auf einer erdfernen Plattform zu halten, da auch die Plattformkosten selbst insgesamt geringer sind. Weiterhin mag ein derartiges System durch regelmäßige Wartungsintervalle nicht auf acht bzw. 15 Jahre wartungsfreien Dauerbetrieb ausgelegt sein müssen. Somit mag bevorzugt ein vergleichsweise einfaches Empfangssegment bzw. Laserkommunikationsterminal verwendet werden, dessen Effizienz von untergeordneter Bedeutung ist, da im Allgemeinen auf einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform ausreichend Energie und Kühlungskapazität vorhanden sind.
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Weiterhin mag der Einfluss der Atmosphäre auf die Laserkommunikation zu berücksichtigen sein. Kohärenter Empfang mag durch tiefer liegende Atmosphärenschichten beeinträchtigt sein, wenn der Durchmesser der in der Sichtlinie zwischen den beiden Kommunikationsplattformen liegenden Turbulenzzellen kleiner als die Empfangsapertur ist.
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Zur Vermessung von atmosphärischen Störungen findet der sogenannte Fried Parameter oder auch die atmosphärische Korrelationslänge Verwendung. Diese/r entspricht der Größe von Turbulenzzellen innerhalb derer der mittlere quadratische Fehler der Phasenstörung 1 rad2 ist. Allgemein ist bekannt, dass eine Empfangsapertur kleiner als der Fried Parameter sein soll, um kohärenten Empfang bzw., im Falle herkömmlicher Astronomie, die ungestörte Beobachtung von Sternen, zu ermöglichen.
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Amplitudenmodulierter Empfang hingegen wird als unempfindlich gegen Phasenfrontstörungen angenommen. Gleichzeitig ist die optische Qualität der Empfangsoptiken im Vergleich zum kohärenten Empfang reduziert. Dies mag deutliche Kostenvorteile für einen amplitudenmodulierten Empfänger ergeben, dessen Empfangssichtlinie die Atmosphäre durchquert.
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Typischerweise ist die Datenübertragungsrate von der erdnahen, zurückkehrenden Plattform zu einer erdfernen Plattform um ein Vielfaches größer als diejenige von der erdfernen Plattform zu der erdnahen, zurückkehrenden Plattform. Dies mag z.B. daraus resultieren, dass die erdnahen, zurückkehrenden Plattformen üblicherweise als lokale Informationssammelquellen, beispielsweise UAVs über Krisengebieten, dienen und ihre gesammelten Datenmengen zu erdfernen Plattformen übertragen, welche die Funktion eines Datenrelaisknotens übernehmen.
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Im Weiteren werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems zur Kommunikation zwischen zwei Kommunikationsplattformen und auch die Erfindung selbst näher beschrieben.
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Gemäß der Erfindung weist das System eine erste Teil-Kommunikationsverbindung mit einer ersten Modulationsart zwischen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform und der erdfernen Plattform, somit von der erdnahen, zurückkehrenden Plattform zur erdfernen Plattform auf und weist eine zweite Teil-Kommunikationsverbindung mit einer zweiten Modulationsart zwischen der erdfernen Plattform und der erdnahen, zurückkehrenden Plattform, somit von der erdfernen Plattform zur erdnahen, zurückkehrenden Plattform, auf, wobei die erste Modulationsart ungleich der zweiten Modulationsart ist.
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Gemäß der Erfindung ist die erste und die zweite Modulationsart jeweils eine Modulationsart aus der Gruppe, bestehend aus Amplitudenmodulation und Phasenmodulation. Insbesondere ist die erste Modulationsart die Modulationsart der Phasenmodulation und die zweite Modulationsart die Modulationsart der Amplitudenmodulation.
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Die Verwendung von unterschiedlichen Modulationsarten je Teil-Kommunikationsverbindung, somit für Uplink und Downlink zwischen den Kommunikationsplattformen, erlaubt es, die Kommunikationsverbindung an besondere physikalische Gegebenheiten anzupassen und insbesondere die Unsymmetrie des Übertragungskanals zwischen den Plattformen zu berücksichtigen.
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Gemäß der Erfindung weist die erdnahe, zurückkehrende Plattform ein erstes Laserkommunikationsterminal zur Durchführung einer ersten Sendemethode und einer ersten Empfangsmethode auf, wobei die erste Sendemethode als Überlagerungssendemethode und die erste Empfangsmethode als Amplitudenmodulationsempfangsmethode ausgebildet ist, wobei die erdferne Plattform ein zweites Laserkommunikationsterminal zur Durchführung einer zweiten Sendemethode und einer zweiten Empfangsmethode aufweist, wobei die zweite Sendemethode als Amplitudenmodulationssendemethode und die zweite Empfangsmethode als Überlagerungsempfangsmethode ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag die erdnahe, zurückkehrende Plattform eine erste Sendeelektronik und eine erste Empfangselektronik aufweisen und die erdferne Plattform eine zweite Sendeelektronik und eine zweite Empfangselektronik aufweisen. Die erste Sendeelektronik mag hierbei eingerichtet sein zum Senden unter Verwendung der ersten Sendemethode, die erste Empfangselektronik mag eingerichtet sein zum Empfangen unter Verwendung der ersten Empfangsmethode, die zweite Sendeelektronik mag eingerichtet sein zum Senden unter der Verwendung der zweiten Sendemethode, und die zweite Empfangselektronik mag eingerichtet sein zum Empfangen unter Verwendung der zweiten Empfangsmethode.
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Auch die unterschiedlichen Kommunikationsmethoden des Überlagerungsverfahrens sowie des Amplitudenmodulationsverfahrens mögen eine Unsymmetrie des Datenkanals bzw. Kommunikationskanals zwischen den Plattformen berücksichtigen und insbesondere auch auf weitere Gegebenheiten der jeweiligen Plattform, beispielsweise die zur Verfügung stehende Energie bzw. geforderte Wartungsintervalle, angepasst sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag die erdferne Plattform weiterhin zur Durchführung einer dritten Sendemethode ausgebildet sein, wobei die dritte Sendemethode als Überlagerungssendemethode zur Kommunikation mit einer weiteren erdfernen Plattform ausgebildet sein mag.
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Hierdurch wird es ermöglicht, gleichfalls eine Kommunikationsverbindung, in diesem Fall eine bidirektionale, symmetrische Kommunikationsverbindung, zwischen zwei erdfernen Plattformen auszubilden. Somit ist es möglich, zwischen diesen beiden erdfernen Plattformen z.B. eine Relaisverbindung aufzubauen, um eine von der mit der erdnahen, zurückkehrenden Plattform verbundenen erdfernen Plattform für eine direkte Kommunikation zu weit entfernte Bodenstation anzubinden um die von der erdnahen, zurückkehrenden Plattform gesammelte Daten an diese weiterzuleiten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag die Kommunikationsverbindung als eine optische Kommunikationsverbindung, insbesondere als eine Laserkommunikationsverbindung, ausgebildet sein.
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Eine derartige Kommunikationsverbindung mag eine bevorzugte störungsresistente bzw. störunanfällige Kommunikationsverbindung darstellen, welche mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz eine Informationsübermittlung realisieren mag.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist sowohl das erste Laserkommunikationsterminal als auch das zwei Laserkommunikationsterminal jeweils ein Laserelement, ausgebildet als Sendeelement, und ein optisches Detektorelement, ausgebildet als Empfangselement, auf.
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Das Detektorelement mag hierbei z.B. eine optische Empfangsdiode sein, welche weiter bevorzugt auf eine bestimmte Übertragungsfrequenz der optischen Kommunikationsverbindung angepasst sein mag. Zumindest ein optisches Element, zum Beispiel ein Sende- und/oder Empfangsteleskop, welches als ein gemeinsames oder separates Element ausgeführt sein mag, mag am Laserelement und/oder optischem Detektorelement angeordnet sein.
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Somit mögen, zumindest bei der erdnahen, zurückkehrenden Plattform, unterschiedliche Optiken für Sende- und Empfangslicht benutzt werden. Weiterhin mag, zumindest auf der erdnahen, zurückkehrenden Plattform, ein Kameraelement als Akquisitionsdetektor bzw. Verfolgungsdetektor verwendet werden, um eine stabile Kommunikationsverbindung zwischen erdnaher, zurückkehrender Plattform und erdferner Plattform durch Positionsverfolgung der jeweils anderen Plattform und Anpassen der lokalen Ausrichtung auf dieselbe zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag zumindest die erdnahe, zurückkehrende Plattform oder die erdferne Plattform eine Mehrzahl von Laserkommunikationsterminals aufweisen.
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Dies ermöglicht es z.B. eine Mehrzahl von, insbesondere gleichzeitigen, Kommunikationsverbindungen zu einer oder mehreren Plattformen zu realisieren. In Bezug auf die erdferne Plattform mag beispielsweise diese mit einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform sowie einer weiteren erdfernen Plattform gleichzeitig in kommunikativer Verbindung stehen, um beispielsweise als Relaisstation zu dienen und im Wesentlichen instantan, beispielsweise von der erdnahen, zurückkehrenden Plattform empfangene Daten an die weitere erdferne Plattform weiterzuleiten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mag die erdnahe, zurückkehrende Plattform eine Plattform zum Betrieb in der Erdatmosphäre, insbesondere ein Luftfahrzeug, weiter insbesondere ein Flugzeug, sowie die erdferne Plattform eine Plattform zum Betrieb außerhalb der Erdatmosphäre, insbesondere in einem Low Earth Orbit oder geostationärem Orbit, weiter insbesondere ein Satellit sein.
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Im Weiteren werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation zwischen einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform und einer erdfernen Plattform sowie das erfindungsgemäße Verfahren selbst beschrieben.
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Gemäß der Erfindung weist das Verfahren auf: Kommunizieren zwischen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform und der erdfernen Plattform unter Verwendung einer bidirektionalen, unsymmetrischen Kommunikationsverbindung mit einer ersten Teil-Kommunikationsverbindung mit einer ersten Modulationsart und kommunizieren zwischen der erdfernen Plattform und der erdnahen, zurückkehrenden Plattform unter Verwendung einer zweiten Teil-Kommunikationsverbindung mit einer zweiten Modulationsart, wobei die erste Modulationsart ungleich der zweiten Modulationsart ist. Die erste und zweite Modulationsart sind jeweils eine Modulationsart aus der Gruppe bestehend aus Amplitudenmodulation und Phasenmodulation, insbesondere ist die erste Modulationsart die Modulationsart der Phasenmodulation und die zweite Modulationsart die Modulationsart der Amplitudenmodulation. Erfindungsgemäß wird eine erste Sendemethode und eine erste Empfangsmethode von einem ersten Laserkommunikationsterminal der erdnahen, zurückkehrenden Plattform (ezP) durchgeführt, wobei die erste Sendemethode als Überlagerungssendemethode und die erste Empfangsmethode als Amplitudenmodulationsempfangsmethode ausgebildet ist. Weiter erfindungsgemäß wird eine zweite Sendemethode und eine zweite Empfangsmethode von einem zweiten Laserkommunikationsterminal der erdfernen Plattform (eS) durchgeführt, wobei die zweite Sendemethode als Amplitudenmodulationssendemethode und die zweite Empfangsmethode als Überlagerungsempfangsmethode ausgebildet ist. Dabei ist die erste Teil-Kommunikationsverbindung der bidirektionalen unsymmetrischen Kommunikationsverbindung durch phasenmodulierte Signale und die zweite Teil-Kommunikationsverbindung der bidirektionalen unsymmetrischen Kommunikationsverbindung durch amplitudenmodulierte Signale charakterisiert
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Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. In verschiedenen Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
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Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich, mögen jedoch qualitative Größenverhältnisse wiedergeben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Übersicht einer exemplarischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems;
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2 eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen ezP und eS gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen eS und ezP gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung der Sendeeinrichtung der ezP gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung der Sendeeinrichtung der eS gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine exemplarische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation zwischen einer ezP und einer eS gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Übersicht über einer exemplarischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems.
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Die erdnahe, zurückkehrende Plattform ezP ist exemplarisch ausgebildet als ein Flugzeug. Flugzeug ezP weist eine Datenaufnahmevorrichtung 11 auf, um beispielsweise Bodenaufnahmen von einer Landschaft von Erde 16 aufzunehmen. Flugzeug ezP ist unter Verwendung von Kommunikationsverbindung 4 mit der erdfernen Plattform eS, beispielsweise einem geostationären Satelliten, verbunden. Flugzeug ezP befindet sich hierbei innerhalb der Erdatmosphäre 30, während Satellit eS außerhalb der Erdatmosphäre im Weltraum 32 angeordnet ist.
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Kármán-Linie 34 trennt hierbei gemäß der üblichen Definition Atmosphäre 30 und Weltraum 32 voneinander ab.
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Eine erste Teil-Kommunikationsverbindung 4a als Uplink von Flugzeug ezP zu Satellit eS sowie eine zweite Teil-Kommunikationsverbindung 4b als Downlink von Satellit eS zu Flugzeug ezP ist exemplarisch angedeutet. Unter Verwendung der ersten Teil-Kommunikationsverbindung 4a mag Flugzeug ezP mit Datenaufnahmevorrichtung 11 aufgenommene Daten von Erde 16 zum Satelliten eS weiterleiten. Diese Informationen mögen von Satellit eS unter Verwendung von Kommunikationsverbindung 4 an Bodenstation 13, in 1 nur schematisch dargestellt, weitergegeben werden. Gleichfalls ist denkbar, dass Satellit eS unter Verwendung einer weiteren Kommunikationsverbindung 4 die Informationen an einen weiteren Satelliten eS’ weiterleitet, während dieser über Kommunikationsverbindung 4 mit einer Bodenstation 13 verbunden ist. Die Bodenstation 13 wiederum mag Steuerungs- bzw. Kommandodaten für das Flugzeug ezP bereitstellen, welche vom Satelliten eS unter Verwendung der Teil-Kommunikationsverbindung 4b an das Flugzeug ezP weitergeleitet werden können.
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Weiter Bezug nehmend auf 2 wird eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen ezP und eS gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Flugzeug ezP sendet in 2 Daten mittels Uplink 4a zu Satellit eS. Die hierfür verwendete Kommunikationsverbindung 4 mag, wie zuvor ausgeführt, eine Laserkommunikationsverbindung sein. Durch in der Nähe zu Flugzeug ezP in der Atmosphäre 30 angeordnete Turbulenzzellen 28 mag eine initial ungestörte Phasenfront 36a in eine gestörte Phasenfront 38 überführt werden. Da im Bereich des Weltraums 32 diese Störungen der Phasenfront 38 durch Ausbeugung 40 aus der Teil-Kommunikationsverbindung 4a ausgebeugt werden, erreicht eine im Wesentlichen ungestörte Phasenfront 36b Satellit eS. Diese ungestörte Phasenfront 36b eignet sich wiederum für den kohärenten Empfang, beispielsweise unter Verwendung des homodynen optischen Überlagerungsempfangs mit Phasenmodulation.
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Optischer Überlagerungsempfang stellt sich analog dem Prinzip des in der Funktechnik weit verbreiteten Überlagerungsempfangs dar. Hierbei wird das Empfangssignal auf der Empfängerseite mit einem im Empfänger lokalisierten Laser überlagert, dessen Frequenz mit der Frequenz des Empfangslichtes ein festen Verhältnis ausbildet. Bei homodynem Empfang ist dies die gleiche Frequenz.
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Die Ausbeugung stellt sich analog dem Huygenschen Prinzip dar. Je kleinräumiger eine Störung der Wellenfront ist, desto höher ist die Divergenz der daraus resultierenden Beugungsfigur, analog einer Beugung am Spalt. Je kleiner der Spalt, desto grösser das Beugungsbild.
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Weiter Bezug nehmend auf 3 wird eine schematische Darstellung der Kommunikation zwischen eS und ezP gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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3 zeigt das zu 2 inverse Verhalten des Kommunikationssystems 2 mit Teil-Kommunikationsverbindung 4b, somit dem Downlink der Datenübertragung von Satellit eS zu Flugzeug ezP.
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Die vom Satellit eS ausgehenden Phasenfronten 36a durchlaufen zunächst im Wesentlichen ungestört Weltraum 32, treffen jedoch nach Überquerung der Kármán-Linie 34 in der Atmosphäre 30 auf Turbulenzzellen 28. Durch diese Turbulenzzellen erfolgt eine Störung der Phasenfront 38. Da im Szenario von 3 keine vergleichbaren Effekte, wie beispielsweise eine Ausbeugung, auftreten, erreicht die gestörte Phasenfront 38 das Empfängerelement an Bord von Flugzeug ezP. Da dort nunmehr eine gestörte Phasenfront 38 eintrifft, eignet sich diese nicht für ein kohärentes Empfangsverfahren und mag deshalb gemäß der vorliegenden Erfindung ein weiteres Empfangsverfahren, wie beispielsweise ein Amplitudenmodulationsempfangsverfahren, benötigen.
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Weiter Bezug nehmend auf 4 wird eine schematische Darstellung der Sendeeinrichtung der ezP gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Elemente Laserelement 12, Phasenmodulator 18b und Datenelektronik 20 stellen hierbei die erste Sendeelektronik 6a dar. Laserelement 12 ist vorgesehen zur Implementierung der Laserkommunikation zwischen den beiden Plattformen und stellt Laserlicht als Datenträger bereit. Daten 22, welche vom Flugzeug ezP zum Satellit eS übertragen werden sollen, werden unter Verwendung einer Datenelektronik 20 für die Übertragung vorbereitet, z.B. vorverarbeitet, teilausgewertet und/oder digitalisiert. Modulationselement 18a moduliert nun unter Verwendung von Phasenmodulation die von Datenelektronik 20 gelieferten Daten auf den von Laserelement 12 gelieferten Träger auf. Der resultierende Datenlaserstrahl mag durch Verstärker 24 verstärkt und durch die optischen Elemente von Teleskop 26 gebündelt und/oder auf die Empfänger-Plattform eS ausgerichtet werden. Zwischen Verstärker 24 und Teleskop 26 mag beispielsweise eine Übertragung durch Lichtwellenleiter 25 zur Realisierung einer einfacheren Anbindung erfolgen.
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Weiter Bezug nehmend auf 5 wird eine schematische Darstellung der Sendeeinrichtung der eS gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Sendevorrichtung 6b des Satelliten eS gemäß 5 unterscheidet sich von der Sendevorrichtung 6a des Flugzeugs ezP im Wesentlichen dadurch, dass statt des Phasenmodulationselementes 18a zunächst ein Amplitudenmodulationselement 18b vorgesehen ist. Die Elemente Laserelement 12, Amplitudenmodulator 18b und Datenelektronik 20 stellen hierbei die zweite Sendeelektronik 6b dar. Daten 22, welche vom Satelliten eS zum Flugzeug ezP gesendet werden sollen, werden durch Modulatorelement 18b auf das Trägersignal von Laserelement 12 aufmoduliert. Datenelektronik 20 stellt hierbei wiederum eine Anpassung bzw. Aufbereitung der Daten zur Modulation durch Modulationselement 18b dar. Die zweite Sendeelektronik 6b ist in diesem Zusammenhang ausreichend im Falle, dass Satellit eS ausschließlich mit Flugzeug ezP kommunizieren soll.
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Im Falle, dass Satellit eS mit einem weiteren Satelliten eS’ kommunizieren soll, mag eine dritte Sendeelektronik 6c vorgesehen sein, welche im Wesentlichen vergleichbar mit der ersten Sendeelektronik 6a des Flugzeugs ezP ist. Zweite Sendeelektronik 6b und dritte Sendeelektronik 6c sind hierbei funktional parallel angeordnet. In einer tatsächlichen Umsetzung der Sendeeinrichtung des Satelliten eS jedoch mögen die beiden Modulatorelemente 18a, b seriell angeordnet sein, z.B. im Verlauf derselben Faser. Eine Umschaltung zwischen Amplitudenmodulation und Phasenmodulation erfolgt hierbei durch Aussetzen der Ansteuerung des jeweiligen nicht benötigten Modulatorelementes, da sich ein nicht angesteuertes Modulatorelement neutral, somit quasi wie nicht existent verhält.
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In der vollen Ausbaustufe mit zweiter Sendeelektronik 6b und dritter Sendeelektronik 6c mag somit Satellit eS sowohl mit einem Flugzeug ezP als auch mit einem weiteren Satelliten eS’, insbesondere zeitgleich, kommunizieren und hierbei beispielsweise als eine Relaisstation fungieren. Z.B. mag ein von Flugzeug eS empfangener Datenstrom von Satellit eS direkt an einen weiteren Satelliten eS‘ weitergereicht werden.
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Weiter Bezug nehmend auf 6 wird eine exemplarische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation zwischen einer ezP und einer eS gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Verfahren 50 zur Kommunikation zwischen einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform und einer erdfernen Plattform weist den Schritt kommunizieren 52 zwischen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform und der erdfernen Plattform auf und verwendet hierbei eine bidirektionale, unsymmetrische Kommunikationsverbindung.
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Kommunizieren 52 ist hierbei aufgeteilt in kommunizieren 52a zwischen der erdnahen, zurückkehrenden Plattform und der erdfernen Plattform unter Verwendung einer ersten Teil-Kommunikationsverbindung mit einer ersten Modulationsart sowie kommunizieren 52b zwischen der entfernten Plattform und der erdnahen, zurückkehrenden Plattform unter Verwendung einer zweiten Teil-Kommunikationsverbindung mit einer zweiten Modulationsart, wobei die erste Modulationsart ungleich der zweiten Modulationsart ist.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ oder „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele oder Ausgestaltungen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele oder Ausgestaltungen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- System
- ezP
- erdnahe, zurückkehrende Plattform / Flugzeug
- eS, eS’
- erdferne Plattform / Satellit
- 4
- Kommunikationsverbindung
- 4a, b
- erste, zweite Teil-Kommunikationsverbindungen / Uplink, Downlink
- 6a, b, c
- erste, zweite, dritte Sendeelektronik
- 8a, b
- erste, zweite Empfangselektronik
- 11
- Datenaufnahmevorrichtung
- 12
- Laserelement
- 13
- Bodenstation
- 15
- Laserstrahl
- 16
- Erde
- 18a, b
- Modulatorelement
- 20
- Datenelektronik
- 22
- Daten
- 24
- Verstärker
- 25
- Lichtwellenleiter
- 26
- optisches Element / Teleskop
- 28
- Turbulenzzelle
- 30
- Atmosphäre
- 32
- Weltraum
- 34
- Kármán-Linie
- 36
- Phasenfront
- 38
- Phasenfront nach Störung
- 40
- Ausbeugung
- 50
- Verfahren zur Kommunikation zwischen einer erdnahen, zurückkehrenden Plattform und einer erdfernen Plattform
- 52
- SCHRITT: Kommunizieren
- 52b
- SCHRITT: Kommunizieren mit einer ersten Modulationsart
- 52b
- SCHRITT: Kommunizieren mit einer zweiten Modulationsart
