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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Bilddaten durch einen Erdbeobachtungssatelliten und zum Übertragen der Bilddaten vom Satelliten an Empfänger, die sich auf der Erde befinden.
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Durch einen Erdbeobachtungssatelliten ist es möglich, Bilder der Erde in verschiedenen Auflösungen (bis zu unter 1 m) aufzunehmen. Diese Aufnahmen werden üblicherweise in einem On-Board-Speicher im Satelliten gespeichert und an eine Bodenstation übermittelt, sobald der Satellit diese überfliegt. An der Bodenstation können dann diese Rohdaten weiter verarbeitet werden.
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Derzeit bekannte Erdbeobachtungssatelliten werden üblicherweise als LEO-Satelliten (500–1500 km Höhe) bezeichnet. Diese relativ niedrigen Höhen gewährleisten, dass Aufnahmen mit einer hohen Auflösung gemacht werden können. Dies betrifft sowohl das optische Spektrum als auch Radaraufnahmen oder Sensoren in anderen Frequenzbereichen.
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Informationen über derzeit vorhandene Erdbeobachtungssatelliten können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- (1) E. Lutz, M. Werner, and A. Jahn, ”Satellite Systems for Personal and Broadband Communications”. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1st ed., 2000.
- (2) Katona, Z.; Berioli, M.; ”Design of Circular Orbit Satellite Link for Maximum Data Transfer,” Communications (ICC), 2011 IEEE International Conference on, vol., no., pp. 1–6, 5–9 June 2011
- (3) http://en.wikipedia.org/wiki/Ikonos
- (4) http://earth.esa.int/TPMDAG/ikonos.html
- (5) https://earth.esa.int/web/guest/missions/3rd-party-missions/current-missions/ikonos-2
- (6) G. Maral and M. Bousquet, Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology, 4th ed. John Wiley and Sons, 2002.
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Nachteilig an Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn ist, dass diese kurze Kontaktzeiten mit den Bodenstationen aufweisen (siehe Veröffentlichung 1). Bspw. ist die längste Line-Of-Sight Sichtbarkeit zur Bodenstation bei einem Satelliten, der in der Höhe von 650 km fliegt, zwischen 400 und 500 s (siehe Veröffentlichung 2). Aus diesem Grund haben die Satelliten große On-Board-Speicher. Wenn sie die betreffende Bodenstation überfliegen, müssen große Datenmengen übermittelt werden. Somit werden hohe Bitraten und gute Datenverbindungen benötigt.
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Werden Satelliten auf die beschriebene Art verwendet, kann es vorkommen, dass der On-Board-Speicher vollständig mit Daten gefüllt ist, so dass keine weiteren Bilddaten aufgenommen werden, bis der Satellit über eine Bodenstation fliegt und seinen Speicher wieder entleeren kann. Dies reduziert die effektive Nutzung von Erdbeobachtungssatelliten, die somit nicht 100% der Zeit erreichen kann. Eine Quantifizierung der Zeit, in der ein Erdbeobachtungssatellit effektiv genutzt werden kann, ist schwierig, da die hierfür benötigten Daten häufig vertraulich sind und durch die Betreiber der Satelliten nicht bekannt gegeben werden.
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Sofern Daten eines bestimmten Erdbeobachtungssatelliten sehr gefragt sind, ist es möglich, die effektive Verwendung dieses Satelliten zu verbessern, indem mehr Bodenstationen bereitgestellt werden. Dies erfordert jedoch große Investitionen.
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Eine Art dieses Problem zu umgehen ist, die angeforderten Bilddaten sofort runterzuladen, ohne dass diese on-board gespeichert werden. Dies geschieht im IKONOS-2 Satelliten (siehe Veröffentlichungen 3 und 4). Hier werden Bodenstationen Zeitblöcke zugeteilt, innerhalb derer die Bodenstationen den Satelliten direkt beauftragen können, bestimmte Bilddaten aufzunehmen. Diese Bilddaten werden unmittelbar an die Bodenstation übermittelt, die sie beantragt hat. Dies bedeutet, dass sobald eine Bodenstation den Satelliten sieht, Kommandos an diesen übermitteln kann und den Satelliten somit während des Fluges über diese Bodenstation programmieren kann.
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Somit kann der Satellit innerhalb von einigen Sekunden derart konfiguriert werden, dass er Bilder von bestimmten Regionen aufnimmt und diese Bilddaten unmittelbar an die bestellende Bodenstation übermittelt. Hiernach kann der Satellit eine andere Bodenstation bedienen, so dass die effektive Nutzung des Satelliten verbessert werden kann.
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Die Bodenstationen, die dazu in der Lage sind, Erdbeobachtungsdaten herunterzuladen, benötigen große Parabolantennen, um ein gutes Signal-Rausch-Spannungsverhältnis zu garantieren und die benötigten hohen Bitraten von bis zu 300 Mb/s für IKONOS aufrecht erhalten zu können. Die Satelliten weisen normalerweise keine On-Board-Datenverarbeitung auf, so dass sie Rohdaten mit der maximalen Auflösung an die Bodenstation übermitteln. Die Bilddaten werden dann am Boden weiter verarbeitet.
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WO 2010/072569 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen von Bilddaten in einem Erdbeobachtungssatelliten, wobei Bilddaten durch eine im Satelliten befindliche Kamera erfasst werden. Die erfassten Bilddaten werden vom Satelliten an Empfänger, die sich auf der Erde befinden, übertragen.
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DE 10 2010 018 749 A1 beschreibt ein Datenübertragungsverfahren für drahtlose Kommunikation, wobei die Daten für ihre Übertragung verschlüsselt werden.
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Ein weiteres Verfahren zur Erdbeobachtung durch einen Satelliten ist bekannt aus
EP 0 570 730 A1 .
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erfassen und Übertragen von Bilddaten durch einen Erdbeobachtungssatelliten bereit zu stellen, das eine effektivere Nutzung des Satelliten ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Bilddaten durch einen Erdbeobachtungssatelliten erfasst und anschließend an Empfänger, die sich auf der Erde befinden, übertragen. Die Bilddaten werden durch eine im oder am Satelliten befindliche Kamera erfasst. Anschließend erfolgt ein Übermitteln der Bilddaten in verschlüsselter Form als Broadcast vom Satelliten an mehrere Empfänger. Dies geschieht bevorzugt unmittelbar nach Erfassung und ohne Zwischenspeicherung der Bilddaten in einem On-Board-Speicher des Satelliten. Anschließend werden die verschlüsselten Bilddaten durch hierzu berechtigte Empfänger entschlüsselt. Ähnlich zum IKONOS-Verfahren werden somit die angeforderten Bilddaten insbesondere direkt ohne eine Zwischenspeicherung an die Bodenstationen übermittelt. Es erfolgt jedoch keine Übermittlung an eine bestimmte Bodenstation wie bei IKONOS, sondern ein Broadcast der aufgenommenen Daten an alle im Empfangsbereich des Satelliten befindlichen Bodenstationen. Um sicherzustellen, dass dennoch nur berechtigte Bodenstationen die Bilddaten verwenden können, werden diese verschlüsselt und können nur durch die berechtigten Bodenstationen entschlüsselt und weiter verwendet werden. Es ist bevorzugt, dass die Bilddaten lediglich für einen kurzen Bearbeitungsschritt im Satelliten zwischengespeichert werden und anschließend direkt an die Empfänger übermittelt werden.
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Es ist bevorzugt, dass jeder Empfänger ausschließlich Bilddaten erhält, die durch den Satelliten innerhalb eines Radius von maximal 100 km um die Position des Empfängers herum an der Erdoberfläche aufgenommen wurden.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bilddaten unter Verwendung eines hierarchischen Modulationsverfahrens an die Empfänger übermittelt werden. Dieses umfasst die folgenden Schritte:
Zunächst werden die Empfänger in mehrere Empfängerklassen eingeteilt. Die Empfänger in verschiedenen Empfängerklassen unterscheiden sich dadurch, dass die maximale Datenrate, mit der sie Bilddaten vom Satelliten empfangen können, aufgrund unterschiedlicher Kanalbedingungen und/oder unterschiedlicher Empfängerhardware unterschiedlich ist. Bspw. können die einzelnen Empfänger verschieden große Empfängerantennen aufweisen.
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Es erfolgt eine Übermittlung von Bilddaten mit einer ersten hohen Auflösung an eine erste Empfängerklasse, die eine erste hohe maximale Datenrate für die Bildübertragung vom Satelliten erlaubt.
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Weiterhin folgt ein Übermitteln von Bilddaten mit mindestens einer weiteren niedrigeren Auflösung an mindestens eine weitere Empfängerklasse, die eine niedrigere maximale Datenrate für die Bildübertragung vom Satelliten erlaubt.
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Durch die genannten Verfahrensschritte kann dem Sachverhalt Rechnung getragen werden, dass nicht jeder Empfänger über qualitativ hochwertige Satellitenschüsseln verfügt, durch die hohe Übertragungsraten sichergestellt werden können. Dies betrifft einerseits die Größe der vorhandenen Satellitenschüssel als auch die Tatsache, dass diese der Bewegung des Satelliten nachgeführt werden muss. Ein LEO-Satellit erscheint und verschwindet wieder hinter dem Horizont innerhalb einer Zeitdauer von 10 bis 15 Minuten. Somit ist davon auszugehen, dass eine große Anzahl an Empfängern existiert, deren Empfängerhardware nicht den genannten Anforderungen entspricht. Durch das beschriebene hierarchische Modulationsverfahren ist es möglich, auch solche Empfänger mit Bilddaten zu versorgen. Diese Empfänger erhalten Bilddaten mit einer niedrigeren Auflösung. Anstelle von Bilddaten mit einer niedrigeren Auflösung können auch andere Verfahren verwendet werden, um die zu übermittelnde Datenmenge zu reduzieren und an die genannten Empfänger zu übermitteln. Hierzu ist es bspw. möglich, Daten vor der Übermittlung zu komprimieren, so dass diese eine niedrigere Datenmenge und Qualität aufweisen.
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Die genannten Sachverhalte gelten nicht nur für Empfänger mit einer schlechteren Empfängerhardware, sondern auch für solche, die aufgrund schlechterer Kanalbedingungen keine hohe Datenübertragungsrate für das Herunterladen der Bilddaten vom Satelliten zulassen.
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Hierarchische Modulationsverfahren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und werden bspw. im DVB-T Standard verwendet (siehe G. Maral and M. Bousquet, Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology, 4th ed. John Wiley and Sons, 2002.).
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Es ist möglich mehr als zwei Empfängerklassen vorzusehen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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1 die geometrischen Relationen im erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 und 3 die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Um die Durchführbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens nachzuweisen, wird ein Szenario mit einigen realistischen Annahmen betrachtet. Insbesondere soll die Performance des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt werden.
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Zunächst einmal ist zu berücksichtigen, dass für die Bestimmung der Leistungsübertragungsbilanz eines Satelliten-Downlinks das Verhältnis zwischen der Signalstärke am Empfänger C und der Rauschleistungsspektraldichte N
0 als Referenz zu betrachten ist. Es kann wie folgt abgeleitet werden:
wo P
TG
T normalerweise bezeichnet wird als ”Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP)”.
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LD ist die Signalabschwächung, der der Down-Link unterliegt, hauptsächlich aufgrund von Freiraumverlusten, aber auch in kleinem Ausmaß aufgrund von atmosphärischen Abschwächungen.
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G/T bezeichnet die Güte des Empfängers, während k die Boltzmann-Konstante ist.
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Wird das Szenario eines LEO-Satelliten betrachtet, so erkennt man, dass einige dieser Parameter von der Position des Satelliten relativ zum Empfangsterminal abhängen. Es ist somit notwendig, einige Winkel zu definieren. Dies betrifft die folgenden geometrischen Relationen, die auch in
1 dargestellt sind:
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1 zeigt die geometrischen Relationen in der STO-Ebene (Satellit, Terminal und Erdmittelpunkt O) zwischen der Elevation ε, dem Nadir-Winkel ϑ, dem Erdmittelpunktwinkel ψ und der Schrägentfernung d.
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Für einen Wert von ε zwischen 20° und 90° und h = 600 km variiert ϑ zwischen 59,2° und 0°.
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Für die vorliegende Analyse ist es wichtig, zu berücksichtigen, dass der Gain der Übertragungsantenne GT vom Winkel ϑ abhängt, unter dem der Satellit das Empfangsterminal sieht (aufgrund des Strahlenmusters der Satellitenantenne). Es ergibt sich so GT = GT(θ), wobei die folgende Formel üblicherweise als Annäherung verwendet wird (mit θ3dB) als Halbwertsbreite der Antenenkeule (”half-power beamwidth”) der Satellitenantenne.
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Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Down-Link-Abschwächung hauptsächlich abhängt von der Entfernung, die das Signal zurücklegt, so dass LD = LD(d), gemäß der folgenden Beziehung (wobei λ die Wellenlänge ist): LD(d) = ( 4πd / λ)2.
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Es kann Folgendes geschlossen werden:
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Sowohl ϑ als auch d können durch ε ausgedrückt werden. Sofern somit die Leistungsübertragungsbilanz an einem Punkt bestimmt wird, kann dann ε variiert werden, so dass es möglich ist, die Leistungsübertragungsbilanz für alle möglichen Positionen des LEO-Satelliten über dem Horizont zu bestimmen.
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In der folgenden Tabelle werden vier Leistungsübertragungsbilanzen für zwei verschiedene Frequenzen bestimmt (im S-Band bei 3 Gigahertz und im Ka-Band bei 30 Gigahertz). Es werden zwei verschiedene Werte für die Elevation ε betrachtet (oder äquivalent 2 Werte für ϑ), einerseits, wenn der Satellit sich am Horizont befindet (nämlich an der minimalen Elevation ε = 20°, ϑ = 59.2°) und andererseits, wenn er sich im rechten Winkel über dem Terminal befindet (ε = 90°, ϑ = 0°). Es ist erkennbar, dass kein großer Unterschied zwischen dem S-Band und dem Ka-Band existiert, da angenommen wird, dass Antennen mit dem gleichen maximalen Gain an Bord verwendet werden und ferner Antennen mit der gleichen Größe am Empfangsterminal verwendet werden. Der höhere Freiraumverlust im Ka-Band wird kompensiert durch den höheren Gain der Antenne am Empfangsterminal.
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Ausgehend von einem minimal erforderlichen Toleranzwert für die Verbindung von 6 dB wird gezeigt, dass es möglich ist, eine Bitrate von 240 KB/s über alle Positionen des Satelliten im S-Band sicherzustellen und ferner bei annähernd allen Positionen für das Ka-Band. Als Größe der Antenne am Empfangsterminal werden 20 cm angenommen.
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Für eine Darstellung von C/N
0 in dB, erhält man:
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Dies legt nahe, dass bei einer Veränderung der Übertragungsleistung PT oder der Größe (und damit des Gain G) der Antenne am Empfangsterminal, dies keinen Einfluss auf den Verlauf der Toleranz für eine weitere Abschwächung auf dem Verbindungskanal in dB in Hinblick auf die Elevation hat. Die Kurven in 2 und 3 würden sich somit nicht in ihrer Form ändern, sondern lediglich nach oben oder unten verschoben werden. Dieses Ergebnis ist wichtig für den Rest der Analyse, da es erlaubt, die Performance des Systems für verschiedene Größen von Empfangsantennen unter Verwendung von hierarchischer Modulation zu bestimmen.
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In der folgenden Tabelle ist die Leistungsübertragungsbilanz für einen Downlink eines Leo-Satelliten bei klaren Wetterverhältnissen dargestellt. Downlink Clear-Sky Budget für einen Leo Satellit
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Anmerkungen:
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- a) Die folgenden Annahmen wurden gemacht:
- – für h = 600 Km und ε_min = 20°, ergibt sich θ_max = 59,2° (siehe Veröffentlichung 1, Seite 25);
- – L_T(θ_max) = G_Tmax – G_T(θ_max) = 5 dB;
- – aus θ_max und L_T(θ_max), ergibt sich θ_3 dB = θ_max·(L_T(θ_max)/3)^(–1/2) = 45.85°;
- – für ein generisches θ, in dB ergibt sich L_T(θ) = 3·(θ/θ_3 dB)^2
- b) kann berechnet werden aus θ_3 dB, aber unabhängig von der Frequenz (siehe Veröffentlichung 6, Seite 195)
- c) konservativer Wert für 3 und 30 GHz für ε_min > 20° (siehe Veröffentlichung 6, Seite 238)
- d) wurde hier vernachlässigt, da die Auswirkung nur Bruchteile von dB ausmacht
- e) typische Werte bei 3 und 30 GHz für ε_min > 20° (siehe Veröffentlichung 6, Seite 213)
- f) für eine gerichtete Antenne am Terminal (für Antennen mit hemisphärischer Abstrahlcharakteristik kann dieser Wert bis zu 400 K betragen)
- g) schwierig abzuschätzen, jedoch ist die Auswirkung gering, so dass die Analyse pessimistische Werte betrachtet, die für alle Fälle gültig sind
- h) RX Pointing Fehler werden nicht berücksichtigt (0.6 dB aus Veröffentlichung 6)
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Das Verhalten der Linktoleranz gegenüber dem Elevationswinkel ε kann in der 2 beobachtet werden. Hier wird von einem hierarchischen Modulationsschema mit drei Leveln ausgegangen, wobei PT = 10 W, 1 W und 0,1 W angenommen wird jeweils für das High Priority (HP) Level, das Medium Priority (MP) Level und das Low Priority (LP) Level. Das High Priority Level ist dasjenige, für das alle Details der Leistungsübertragungsbilanz in der obigen Tabelle dargestellt sind. Der Grenzwert für die minimale Verbindungstoleranz ist als eine durchgezogene horizontale Linie dargestellt. Aus der Figur ist erkennbar, dass für den High Priority Stream im S-Band und im Ka-Band der Link für nahezu alle Elevationswinkel geschlossen werden kann. Dies bedeutet, dass es möglich ist, für alle Sender- und Empfängerparameter (z. B. Sendeleistung, Antennengewinn, usw.) realistische Werte zu berechnen.
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Wird nun davon ausgegangen, dass hierarchische Modulationen verwendet werden, kann die Linktoleranz für die verschiedenen Streams evaluiert werden durch Verändern der Übertragungsleistung PT. Dies wird eine Veränderung des Link Margin von 10 dB zur Folge haben. In der Figur ist erkennbar, dass es mit einer Empfangsantenne von 20 cm möglich ist, den MP-Stream bei Elevationen über 60° (sowohl für das S-Band als auch für das Ka-Band) zu empfangen, während mit einer solchen kleinen Antenne das dritte Level, nämlich der LP-Stream nicht empfangen werden kann.
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In diesem Beispiel hat jeder Stream 240 Kb/s, so dass bei über 60° Elevation ein Empfänger mit einer 20 cm Antenne Daten mit bis zu 480 Kb/s empfangen kann.
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Berücksichtigt man, dass die Performance im Ka-Band derart nah an der Performance im S-Band liegt und dass die Analyse des Ka-Bandes keine zusätzliche nützliche Information bietet, wird das Ka-Band im Folgenden nicht weiter berücksichtigt. Die aus dem S-Band abgeleiteten Schlüsse sind ebenfalls auf das Ka-Band anwendbar.
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In 3 wird die Auswirkung von größeren Antennen am Empfangsterminal untersucht. Erneut wird eine größere Antenne nicht den Verlauf der Kurve beeinflussen, sondern ein höheres Gain G an der Antenne wird lediglich den Link Margin (Linktoleranz) anheben. Die klassische Beziehung zwischen G und der Größe der Empfangsantenne D ist wie folgt (wobei η die Antenneneffizienz ist): G = η( πD / λ)2.
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Dies bedeutet, dass eine Verdoppelung der Antennengröße der Linktoleranz 6 dB hinzufügen wird. Dies ist in 3 dargestellt, kombiniert mit einer Herabstufung um 10 dB, die berücksichtigt werden muss, wenn hierarchische Ströme höherer Ordnung dekodiert werden sollen.
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Die Figur zeigt, dass mit einer 80 cm Antenne im S-Band HP-Streams und MP-Streams immer decodiert werden können, während der LP-Stream nur bei einer Elevation über 45° decodiert werden kann. Eine 40 cm Antenne kann den MP-Stream über 30° Elevation empfangen (und somit besser als eine 20 cm Antenne), kann jedoch nie den LP-Stream decodieren.
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Diese Untersuchung zeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren brauchbare Bitraten für kleine Antennen (z. B. 20 cm) ermöglicht und dass die Bitraten leicht erhöht werden können unter Verwendung der hierarchischen Modulation und größerer Antennen. Zusätzliche Freiheitsgrade beim Auswählen der Bitraten, die für die jeweilige Empfängerklasse verfügbar sind, können dadurch erreicht werden, dass die relativen Übertragungsleistungen der einzelnen hierarchischen Streams verändert werden können. Ferner kann die Antennengröße verändert werden. Außerdem wurde in dieser Untersuchung QPSK ½ für alle hierarchischen Streams gewählt. Dieser Parameter kann ebenfalls für eine erhöhte Flexibilität verändert werden.
