-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau einer bidirektionalen optischen Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation, wie es insbesondere für optische Feederlinks geostationärer Kommunikationssatelliten, optische Satelliten-Downlinks (LEO oder GEO) zu kleinen Bodenterminals und/oder zur optischen Übertragung von Frequenznormalen (”Synchronisation optischer Uhren”) verwendbar ist.
-
Geostationäre (GEO) Nachrichten- und Fernsehsatelliten benötigen große Datenraten im Up-Link, um die zu übertragenden Daten vom Boden-Gateway zum Satelliten zu bringen (von dort werden sie über Funk-Transponder als Fernsehsignal zu den Haushalten oder als Kommunikationssignal zu den Nutzern am Boden übertragen). Diese Funkverbindungen zwischen Bodenstation und GEO (sog. GEO-Feeder-Link, GFL) müssen dabei immer hochratiger werden, um die Anforderungen der Systeme zu erfüllen, gleichzeitig wird das verfügbare Frequenzspektrum immer knapper. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, von Mikrowellen-(Funk-)Verbindungstechnik zu optischem Richtfunk zu wechseln. Im optischen Bereich gibt es keine Spektrumsbeschränkung. Zudem ermöglichen optische Datenverbindungen – wie aus der terrestrischen Glasfasertechnik bekannt – erheblich höhere Datenraten, und zwar – aus heutiger Sicht – bis 100 Gbps pro Kanal, was durch Wellenlängenmultiplex-Technik noch ca. verhundertfacht werden kann.
-
Optische GFLs (OGFL) werden allerdings durch die Atmosphäre gestört. So kann z. B. eine Bewölkung über der optischen Bodenstation (Optical Ground Station, OGS) die Verbindung zum Satelliten blockieren. Diesem kann durch OGS-Diversität ausreichend begegnet werden, wie in Untersuchungen nachgewiesen wurde.
-
Einen weiteren Atmosphäreneinfluss stellt die Brechungsindexturbulenz (BIT) dar, welche zu einer Störung der optischen Wellenfront und damit im weiteren Verlauf der Propagation zu Intensitätsschwankungen (Szintillationen) führt. Je nach Standort der OGS und Tageszeit, verwendeter Wellenlänge und Elevation des Links (Winkel zwischen Satellit, Bodenstation, und Horizont) kann die BIT zu erheblichen Feldstörungen führen, womit das Signal beim GEO-Satellit extrem stark schwankt. Je nach Übertragungsverfahren und BIT-Situation wird dadurch der Signalempfang stark gestört oder gar verhindert.
-
Die BIT-Störungen machen sich beim Empfänger durch zwei Effekte bemerkbar:
- – Intensitätsstörungen (bzw. Feldamplitudenschwankungen) und
- – Wellenfrontstörungen; diese führen zu kleinen aber schnellen Einfallswinkelschwankungen des Empfangssignals über der Empfangsapertur.
-
Hinsichtlich der BIT existiert ein ”Sichtkonus”, d. h. ein Raumwinkelbereich (ausgehend von der OGS), innerhalb dessen zwei Laserstrahlen die gleichen BIT-Störungen (d. h. die gleichen Richtungsablenkungen) erfahren. Diesen Winkel bezeichnet man als Isoplanasiewinkel (Isoplanatic Angle, IPA), der unter anderem von dem Höhenwinkel, unter dem der Satellit steht, abhängig ist. Je nach BIT-Stärke, Wellenlänge und Länge des atmosphärischen Pfades (gegeben durch die Link-Elevation) liegt der IPA bei einigen μrad bis unter 100 μrad.
-
Als weiterer Effekt bei optischer Übertragung zwischen Boden und Satellit ist der Vorhaltewinkel (Point-Ahead-Winkel, PAA) zu berücksichtigen. Dieser entsteht durch die absolute Bewegungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Satellit und Bodenstation und beträgt z. B. für den geostationären Orbit 18 μrad. Um diesen Winkel muss der Sendestrahl der Bodenstation der Einfallsrichtung des empfangenen Strahls ”vorauseilen” (sogenanntes Pointing), um den Satelliten zu erreichen. Dies gilt sowohl für die Ausrichtung an der Bodenstation wie auch am Satelliten und nicht nur für GEO-Satelliten sondern für jedweden, im Orbit befindlichen Satelliten.
-
Ist nun im konkreten Szenario IPA < PAA, so gehen Empfangs- und Sendestrahl nicht mehr durch das gleichermaßen turbulente Atmosphärenvolumen und die durch atmosphärische BIT verursachte Einfallswinkelschwankungen (gemessen beim Empfänger) können nicht mehr zum korrekten Pointing des Sendestrahls eingesetzt werden. Ebenso kann bei einer adaptiven Optik die gemessene empfangene Wellenfrontverzerrung nicht mehr zur Vorverzerrung der Wellenfront des Sendestrahls genutzt werden (Vorverzerrung in diesem Zusammenhang heißt, dass die Sendewelle – im Regelfall durch entsprechende Stellspiegel – exakt so vorverzerrt wird, dass die BIT-Störung der Atmosphäre zur Entzerrung der Wellenfront und damit zu einer planen/idealen Welle oberhalb der für die BIT-Störung relevanten Atmosphäre führt).
-
Die 1 bis 3 sollen die Fälle IPA > PAA und IPA < PAA illustrieren. Der Satellit ist dabei doppelt (einmal mit gestrichelten und einmal mit durchgezogenen Linien) dargestellt, um seine Bewegung zwischen dem Absenden des Downlink-Lichtstrahls und dem Empfangen des Uplink-Lichtstrahls zu verdeutlichen.
-
In 1 ist ein Szenario mit hoher Elevation (wenig atmosphärische Brechungsindexturbulenzen im Linkpfad) gezeigt, bei dem der IPA größer ist als der PAA. 2 dagegen zeigt die allgemeinere Situation, in der z. B. wegen einer zu kleinen Elevation des Satelliten (”tiefstehender Satellit”) gilt, dass IPA < PAA ist; hier gehen Empfangsstrahl und Sendestrahl durch Volumina der Atmosphäre mit unterschiedlicher Brechungsindexturbulenz-Struktur. 3 zeigt den Strahlverlauf im optischen GEO-Down- und -Uplink. Die beiden gebogenen Laserstrahlen verdeutlichen den PAA-Effekt; tatsächlich handelt es sich um einen dynamischen Effekt auf Grund der durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzten Signallaufzeit.
-
Das Problem, dass der IPA kleiner ist als der PAA (IPA < PAA) ist unvermeidbar bei optischen Punkt-zu-Punkt Verbindungen zwischen Erdoberfläche und einem Satelliten, es sei denn, der Satellit bewegt sich sehr langsam (dazu müsste er aber weiter entfernt sein als der geostationäre Orbit) oder die Atmosphäre ist ungewöhnlich stabil (was aber in den allermeisten Anwendungsszenarien nicht gegeben ist). Damit kann weder der Sendestrahl anhand der verfolgten – atmosphärisch verursachten – Einfallswinkelschwankungen unter dem zum Erreichen des Satelliten erforderlichen ”richtigen Winkel” ausgerichtet werden, noch kann eine ”adaptive-Optik Vorverzerrung” erfolgreich eingesetzt werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren um Aufbau einer bidirektionalen optischen Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln der Problematik für den Fall begegnet wird, dass der Isoplanasiewinkel (IPA) kleiner ist als der Point-Ahead-Winkel (bzw. Vorhaltewinkel, PAA).
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Aufbau einer bidirektionalen optischen Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- – ein Satellit in einer Einfallsrichtung einen Downlink-Lichtstrahl durch die Atmosphäre zu einer Bodenstation sendet und
- – eine in Bewegungsrichtung des Satelliten in einem Abstand hinter diesem fliegende, orbitale Weiterleitvorrichtung bereitgestellt wird, die einen von der Bodenstation gesendeten Uplink-Lichtstrahl an den Satelliten weiterleitet oder einen von der Bodenstation gesendeten Uplink-Lichtstrahl empfängt und Daten des Uplink-Lichtstrahls repräsentierende Signale oder Signale, die anhand von durch den Uplink-Lichtstrahl übertragenen Daten verarbeitetet werden, Signale an den Satelliten überträgt, wobei der Abstand zwischen dem Satelliten und der Weiterleitvorrichtung bestimmt wird anhand der Bewegungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Satelliten und der Bodenstation und anhand der Entfernung des Satelliten zur Bodenstation, und
- – wobei der Uplink-Lichtstrahl von der Bodenstation in zur Einfallsrichtung des Downlink-Lichtstrahls entgegengesetzter Richtung und damit zu der Weiterleitvorrichtung gesendet wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine bidirektionale optische Kornmunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger aufgebaut. Hierzu werden elektromagnetische Wellen im Downlink und im Uplink benutzt. Die elektromagnetischen Wellen sind insbesondere solche von kohärentem Licht, also Laserlicht, wobei mit dem Begriff ”Licht” nicht gesagt sein soll, dass die Wellenlängen im sichtbaren Bereich liegen müssen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die bidirektionale optische Kommunikation ohne Berücksichtigung des Vorhaltewinkels (PAA). Dadurch können der Downlink-Lichtstrahl und der Uplink-Lichtstrahl das identische Atmosphärenvolumen durchqueren. Die Nichtberücksichtigung des PAA wird kompensiert durch eine orbitale Weiterleitvorrichtung, die in passendem Abstand hinter dem Satelliten fliegt. Der Abstand ist dabei abhängig von der Satellitengeschwindigkeit (absolut und/oder relativ zur Bodenstation), der Signalübertragungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) und dem Abstand zwischen dem Satelliten und der Bodenstation.
-
Der PAA berechnet sich exakt unter Berücksichtigung der OGS-Eigenbewegung (wie der GEO-Satellit dreht sich auch die Erdoberfläche nach Osten) zu 17,6 μrad für eine OGS am Äquator. Bezüglich einer näher am Pol gelegenen OGS ist die Eigenbewegung entsprechend etwas kleiner. Exakt am Pol beträgt der PAA 20,44 μrad, als typischer Wert wird üblicherweise 18 μrad verwendet.
-
Die innerhalb des PAA vom GEO-Satelliten zurückgelegte Strecke ist entsprechend minimal 621 m bis maximal 858 m (letztere am Pol, wo zusätzlich die Distanz zwischen OGS und GEO-Satellit größer ist als am Äquator), typisch sind es 700 m für eine OGS auf einer typischen Breite.
-
Es ist nicht so entscheidend, den Abstand zwischen den GEO-Satelliten und der Weiterleitvorrichtung exakt zu bestimmen, da dies in Relation zum Uplink-Strahldurchmesser zu sehen ist. Dieser ist typisch 10 μrad·H_orbit (Höhe des GEO-Orbits also etwa 36.000 km), also etwa d/2. Der Strahl sollte die Weiterleitvorrichtung daher mit etwa 50 m Zielgenauigkeit beleuchten.
-
Der PAA ist relativ unabhängig von der Sichtrichtung des GEO-Satelliten (Elevationswinkel des Links über dem Horizont), da man immer ziemlich senkrecht auf die Bewegungsrichtung des Satelliten blickt (man kann dies auch exakt berechnen, da es ein deterministisches Problem ist). Der PAA ist also bei GEO-Satelliten unkritisch, was die Position des GEO-Satelliten bei Sichtkontakt zur Bodenstation betrifft. Anders ist dies allerdings bei Low Earth Orbit(LEO-)Satelliten, für die der PAA stark von der Satelliten-Elevation abhängt. Aber auch für einen LEO-Satelliten lässt sich der erforderliche Abstand zur Weiterleitvorrichtung berechnen, da es sich um ein deterministisches Problem handelt.
-
Interessant ist die Applikation der Erfindung für z. B. die internationale Raumstation ISS (höhe des Orbits etwa 380 km) als Beispiel eines LEO-Satelliten, da die ISS eine derart große Erstreckung aufweist, die im Bereich des Abstandes von Satellit und Weiterleitvorrichtung liegt, beide also an der ISS angeordnet sein können. Auch eine derartige mechanisch ”feste” Verbindung von Satellit und Weiterleitvorrichtung ist also von der Erfindung abgedeckt.
-
Bei der orbitalen Weiterleitvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Tochtersatelliten o. dgl. weiteren Satelliten handeln; aber auch ein Reflektor, der eigenständig oder aber auch mechanisch mit dem Satelliten verbunden durch den Orbit fliegt, ist denkbar und realisierbar. Auch kann die Weiterleitvorrichtung als Empfangs- und Sendeeinheit ausgeführt sein, die von der Bodenstation den Uplink-Lichtstrahl empfängt und gegebenenfalls nach einer Verarbeitung an den Satelliten weiterleitet. Die Kommunikationsverbindung zwischen den Satelliten und der Weiterleitvorrichtung kann drahtgebunden oder auch drahtlos (beispielsweise als Freistrahl-Übertragungskanal) ausgeführt sein. Eine mechanische Verbindung zwischen dem Satelliten und der Weiterleitvorrichtung ist, wie bereits oben erwähnt, ebenfalls denkbar aber nicht zwingend notwendig, sofern die Weiterleitvorrichtung über eigene Antriebseinrichtungen zur Korrektur der Flugbahn verfügt.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann also vorgesehen sein,
- 1. dass die Weiterleitvorrichtung ein weiterer Satellit ist, der mit dem den Download-Lichtstrahl aussendenden Satelliten kommuniziert,
- 2. dass die Weiterleitvorrichtung einen Empfänger aufweist und dass der Empfänger drahtgebunden (z. B. Kabel, bei damit gleichzeitig vorliegender mechanischer Kopplung) oder drahtlos, insbesondere z. B. durch einen Freistrahl-Übertragungskanal mit dem Satelliten kommuniziert,
- 3. dass der Empfänger mechanisch mit dem Satelliten verbunden/gekoppelt ist (z. B. realisierbar bei einem LEO-Satellit entsprechender Größe wie z. B. ISS – siehe oben) und/oder
- 4. dass die Weiterleitvorrichtung ein Reflektor ist, der den Uplink-Lichtstrahl zum Satelliten hin reflektiert.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass durch Brechungsindexturbulenzen der Atmosphäre verursachte Einfallswinkelschwankungen, mit denen der Downlink-Lichtstrahl die Bodenstation erreicht, ermittelt werden und dass der Uplink-Lichtstrahl von der Bodenstation entsprechend der für den Downlink-Lichtstrahl ermittelten Einfallswinkelschwankung bzw. -abweichung (von der auf Grund der Relativpositionen von Satellit und Bodenstation ermittelbaren, erwarteten Einfallsrichtung) durch Modulation des Lichtstrahls vorverzerrt gesendet wird.
-
Die Erfindung lässt sich auch in entsprechender Weise ”umgekehrt” anwenden, indem ein Satellit einen Uplink-Lichtstrahl empfängt und einen Downlink-Lichtstrahl in zur Empfangsrichtung des Uplink-Lichtstrahls entgegengesetzter Richtung sendet, wo er dann auf dem Boden hinter der OGS, von der der Uplink-Lichtstrahl gekommen ist, auftrifft und von einer Weiterleitvorrichtung empfangen und an die OGS weitergeleitet wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 bis 3 Darstellungen von Szenarien, in denen PAA < IPA und PAA > IPA gilt, und
-
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung für das erfindungsgemäße Verfahren.
-
In 4 ist mit 10 eine Bodenstation für den Empfang und für das Senden eines optischen (im Regelfall modulierten) Kommunikationslichtstrahls gezeigt. Bei dem hier beschriebenen Szenario empfängt die Bodenstation 10 von einem sich in Richtung des Pfeils 12 bewegenden (insbesondere GEO-)Satelliten 14 einen Downlink-Lichtstrahl 16, der die Atmosphäre 18 durchquert. Durch die bekannten Relativpositionen von Bodenstation 10 und Satellit 14 sind die Einfallsrichtung und der Winkel, unter dem der Downlink-Lichtstrahl 16 auf die Bodenstation 10 trifft, bekannt. Die Bodenstation 10 sendet einen Uplink-Lichtstrahl 20, der ebenfalls die Atmosphäre 18 durchquert.
-
Bei der Erfindung wird nun das mögliche Problem, dass der Isoplanasiewinkel (IPA) kleiner sein könnte als der Vorhaltewinkel (PAA) dadurch gelöst, dass die Bodenstation 10 den Uplink-Lichtstrahl in zur Einfallsrichtung des Downlink-Lichtstrahls entgegengesetzter Richtung sendet, womit beide Lichtstrahlen das identische Atmosphärenvolumen durchqueren, also in gleicher Weise Brechungsindexturbulenzen ausgesetzt sind. Die erfindungsgemäß vorgesehene Nichtberücksichtigung des PAA wird dadurch kompensiert, dass hinter dem Satelliten 14 eine Weiterleitvorrichtung 22 fliegt, die den von der Bodenstation 10 gesendeten Uplink-Lichtstrahl 20 empfängt. Die Weiterleitvorrichtung 22 gibt den Uplink-Lichtstrahl 20 an den Satelliten 14 weiter (gegebenenfalls nach einer Verarbeitung der Informationen bzw. Daten des modulierten Uplink-Lichtstrahls). Der Abstand 24 ergibt sich dabei aus den Distanzen zwischen Satellit 14 und Bodenstation 10 sowie aus der Satellitengeschwindigkeit (und -bewegungsrichtung relativ zur Bodenstation) und der Lichtgeschwindigkeit.
-
Erfindungsgemäß durchlaufen also der Empfangs- und der Sendestrahl (Downlink- und Uplink-Lichtstrahl) exakt durch dasselbe atmosphärische Volumen, womit das Problem ”IPA < PAA” vollkommen gelöst ist. Die Berücksichtigung des Vorhaltewinkels ist nicht notwendig, da der Empfang des Uplink-Lichtstrahls beim Satelliten 14 durch beispielsweise einen ”Tochtersatelliten” o. dgl. Weiterleitvorrichtung 22 (beispielsweise ein Reflektor) geschieht, der exakt um den PAA-Winkel hinter dem Satelliten 14 hinterher fliegt, wobei beide beispielsweise mit einem Kabel zur Stromversorgung und zum Datenaustausch verbunden sein können; alternativ kann auch eine Freistrahl-Übertragungsstrecke für die Datenkommunikation vorgesehen sein. Für geostationäre Satelliten beträgt der Abstand zwischen dem Satelliten 14 und der Weiterleitvorrichtung 22 etwa 720 m (bei 40000 km Orbitalhöhe und einem dabei gegebenen PAA-Winkel von 18 μrad).
-
Durch die Erfindung wird das potentielle Problem, dass der Isoplanasiewinkel (IPA) kleiner sein könnte als der Vorhaltewinkel (PAA) gelöst, womit sich nun optimal und ohne Effizienzeinbußen
- – Pointing-by-Tracking,
- – Predistortion-Adaptive-Optics und/oder
- – Channel-Reciprocity ([1] und [2])
anwenden lassen.
-
Die Übertragungsqualität in einem optischen Feederlink zu GEO- aber auch zu LEO-Satelliten kann damit durch die Anwendung einer oder mehrerer der drei oben genannten Maßnahmen erheblich gesteigert werden.
-
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
-
-
- GEO
- geostationär
- GFL
- GEO-Feeder-Link
- OGFL
- optische GFL
- OGS
- optische Bodenstation
- BIT
- Brechungsindexturbulenz (auch IRT index of refraction turbulence)
- IPA
- Isoplanasiewinkel (isoplanatic angle)
- PAA
- Vorhaltewinkel (Point-ahead-Winkel)
- LEO
- Low Earth Orbit
-
LITERATURVERZEICHNIS
-
- [1] N. Perlot, D. Giggenbach, Scintillation correlation between forward and return spherical waves, Applied Optics, Vol. 51, No. 15, Optical Society of America, 20 May 2012
- [2] D. Giggenbach, W. Coley, K. Grant, N. Perlot, Experimental verification of the limits of optical channel intensity reciprocity, Applied Optics, Vol. 51, No. 16, Optical Society of America, 1 June 2012
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Bodenstation
- 12
- Bewegungsrichtung des Satelliten
- 14
- (insbesondere GEO-)Satellit
- 16
- Downlink-Lichtstrahl
- 18
- Atmosphäre
- 20
- Uplink-Lichtstrahl
- 22
- Weiterleitvorrichtung
- 24
- Abstand
