DE102022123819A1

DE102022123819A1 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zur optischen Freiraumkommunikation

Info

Publication number: DE102022123819A1
Application number: DE102022123819.9A
Authority: DE
Inventors: Simon Chelkowski; Kai Treichel; Andreas Hornig; Frank Kröber
Original assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik Ges mbH; Jena Optronik GmbH
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Verfahren zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer, wobei Daten und/oder Informationen auf einen Lichtstrahl aufmoduliert werden, wobei zum Aufbauen einer Verbindung der erste Teilnehmer und/oder der wenigstens eine weitere Teilnehmer identifiziert werden/wird und eine festgestellte Identität des ersten Teilnehmers und/oder des wenigstens einen weiteren Teilnehmers verifiziert wird, sowie Vorrichtung und Computerprogramm zur optischen Freiraumkommunikation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer, wobei Informationen auf einen Lichtstrahl aufmoduliert werden. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer.
Die optische Freiraumkommunikation (free-space optical communication, FSO) oder Laserkommunikation ist in der Lage, hochratige Kommunikationsverbindungen bereitzustellen, die den wachsenden Bedarf an Downlink-Verbindungen für Weltraummissionen, einschließlich solcher auf Kleinsatellitenplattformen, zu decken. Die FSO-Kommunikation nutzt die Vorteile der hohen Verstärkung schmaler Laserstrahlen, um eine höhere Verbindungseffizienz als bei herkömmlichen Hochfrequenzsystemen zu erreichen. Damit eine FSO-Verbindung aufgebaut und aufrechterhalten werden kann, muss das Lagebestimmungs- und Steuerungssystem des Raumfahrzeugs eine genaue Ausrichtung auf die optische Bodenstation gewährleisten. Kleine Satelliten, wie z.B. CubeSats, haben jedoch nur begrenzte Möglichkeiten der Bodenverfolgung mit den vorhandenen Lagesensoren. Ein miniaturisiertes Laserbeacon-Trackingsystem hingegen hat das Potenzial, eine präzise bodengestützte Lagebestimmung zu ermöglichen, wodurch die Laserkommunikation auf Kleinsatellitenplattformen möglich wird. Die Veröffentlichung „T. Nguyen, Laser Beacon Tracking for Free-space Optical Communication on Small-Satellite Platforms in Low-Earth Orbit, Master Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2015“ betrifft eine Laser-Bakenverfolgung für die optische Kommunikation im freien Raum auf Kleinsatellitenplattformen im erdnahen Orbit und beschreibt die Entwicklung einer Laserbaken-Kamera in der Größe eines CubeSat, die in der Lage ist, unter verschiedenen Himmelsbedingungen eine Genauigkeit der Lagebestimmung im Sub-Millirad-Bereich mit geringer Überblendungswahrscheinlichkeit zu erreichen, die ausreicht, um eine hochratige FSO-Kommunikationsverbindung auf einer CubeSat-Plattform im erdnahen Orbit zu unterstützen. Die Systemarchitektur des Nanosatellite Optical Downlink Experiment (NODE), das Konzept der Bakenkamera und die Entwicklung des Prototyps werden im Detail vorgestellt. Es wurde eine End-to-End-Simulation der Bake erstellt, um die Leistung des Moduls zur Lagebestimmung unter den erwarteten atmosphärischen Turbulenzen und Himmelshelligkeitsbedingungen zu validieren. Die Simulationsergebnisse zeigen eine hochpräzise Lageerkennungsleistung und eine niedrige Ausblendungswahrscheinlichkeit, die die Laserverbindungen von NODE unterstützen können.
Zukünftige Raumfahrzeuge werden einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise der Informationsübertragung erfordern, da die Datenmenge, die Weltraumverbindungen benötigt, ständig zunimmt. Die derzeitigen hochfrequenzbasierten Kommunikationssysteme stellen sowohl aus technischen als auch aus rechtlichen Gründen einen Engpass für die Datenmenge dar, die zur Erde zurück übertragen werden kann. Die optische Freiraumkommunikation hat sich schließlich als Schlüsseltechnologie herauskristallisiert, um die zunehmenden Bandbreitenbeschränkungen für die Weltraumkommunikation zu überwinden und gleichzeitig die Größe, das Gewicht und die Leistung von Satellitenkommunikationssystemen zu verringern sowie die Vorteile eines lizenzfreien Spektrums zu nutzen. In den letzten Jahren haben viele Missionen im Orbit die grundlegenden Prinzipien dieser Technologie demonstriert und sich als einsatzbereit erwiesen, und wir erleben jetzt das Entstehen einer wachsenden Zahl von Projekten, die darauf ausgerichtet sind, die Weltraum-Laserkommunikation (Lasercom) in wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen zu nutzen. Die Veröffentlichung „A. Carrasco-Casado, R. Mata-Calvo, Free-Space optical links for space communication networks, Springer Handbook of Optical Networks, 2020“ betrifft optische Verbindungen im freien Raum für Weltraum-Kommunikationsnetze und beschreibt die Grundprinzipien und aktuellen Trends dieser neuen Technologie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Computerprogramm strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der optischen Kommunikation werden Daten und/oder Informationen mithilfe von Licht übertragen. Die Daten und/oder Informationen werden zur Übertragung auf einen Lichtstrahl aufmoduliert. Bei der optischen Freiraumkommunikation werden Daten und/oder Informationen mithilfe ungeführter Lichtstrahlen, also nicht fasergebunden, übertragen. Als Träger für Daten und/oder Informationen kann Laserlicht verwendet werden. Der Lichtstrahl, Laserlichtstrahl und/oder Laserstrahl kann eine elektromagnetische Frequenz oder elektromagnetische Frequenzen im Mikrowellenbereich, im Infrarotbereich, im Bereich sichtbaren Lichts, im Ultraviolettbereich und/oder Röntgenstrahlungsbereich aufweisen. Mithilfe der optischen Freiraumkommunikation kann eine Kommunikation über Entfernungen von einigen 100m bis zu mehreren Kilometern auf der Erde sowie bis zu Tausenden von Kilometern im Weltraum erfolgen.
Das Verfahren kann zur Kommunikation auf einem astronomischen Objekt, in einem Raum über einer Oberfläche eines astronomischen Objekts und/oder im Weltraum geeignet und/oder ausgelegt sein. Das Verfahren kann zur Kommunikation zwischen einem astronomischen Objekt, einem Raum über einer Oberfläche eines astronomischen Objekts und/oder dem Weltraum geeignet und/oder ausgelegt sein. Das astronomische Objekt kann ein Planet, insbesondere die Erde oder der Mars, oder der Mond sein.
Teilnehmer können/kann wenigstens eine Bodenstation, wenigstens ein Luftfahrzeug und/oder wenigstens ein Raumflugkörper sein. Das Verfahren kann zur Kommunikation zwischen wenigstens einer Bodenstation, wenigstens einem Luftfahrzeug und/oder wenigstens einem Raumflugkörper geeignet und/oder ausgelegt sein. Der Raumflugkörper kann ein künstlicher Satellit, eine Raumsonde, eine Raumfähre, ein Raumschiff, eine Raumkapsel und/oder eine Raumstation sein.
Das Verfahren kann zur Kommunikation in einem Netzwerk geeignet und/oder ausgelegt sein. Das Netzwerk kann ein Kommunikations-Netzwerk sein. Das Netzwerk kann autonom betreibbar und/oder skalierbar sein. Die Teilnehmer können zur Teilnahme an dem und/oder zur Bildung des Netzwerks geeignet und/oder ausgelegt sein. Das Netzwerk kann Elemente oder Knoten aufweisen, die mittels Verbindungen oder Kanten miteinander verbunden sind. Das Verfahren kann autonom ausführbar sein.
Die Daten und/oder Informationen können zur Übertragung aufmoduliert werden. Die Daten und/oder Informationen können senderseitig aufmoduliert werden. Die Daten und/oder Informationen können mithilfe des Lichtstrahls übertragen werden. Die übertragenen Daten und/oder Informationen können durch Demodulation zurückgewonnen werden. Die übertragenen Daten und/oder Informationen können empfängerseitig zurückgewonnen werden.
Die Teilnehmer können verbindungsorientiert kommunizieren. Die Kommunikation kann einen Verbindungsaufbau, eine Verbindungsnutzung und/oder einen Verbindungsabbau umfassen. Vor oder während einem Verbindungsaufbau kann eine Richtung bestimmt werden, in der ein weiterer Teilnehmer versucht, einen Verbindungsaufbau zu initiieren. Mithilfe dieser Information kann dann der erste Teilnehmer den weiteren Teilnehmer anvisieren und/oder seine Bereitschaft zur Kommunikation mitteilen. Zum Aufbauen einer Verbindung können Identifikationsinformationen und/oder Verifikationsinformationen übertragen werden. Während einer Verbindungsnutzung können Nutzdaten und/oder Nutzinformationen übertragen werden.
Der erste Teilnehmer kann ein angerufener Teilnehmer sein. Der erste Teilnehmer kann ein Teilnehmer sein, zu dem eine Verbindung aufgebaut werden soll. Der wenigstens eine weitere Teilnehmer kann ein anrufender Teilnehmer sein. Der wenigstens eine weitere Teilnehmer kann Teilnehmer sein, der eine Verbindung aufbauen möchte.
Zum Identifizieren kann ein Identifikator verwendet werden. Als Identifikator kann ein Identifikations-Code verwendet werden. Der Identifikations-Code kann zur eindeutigen Identifizierung des tragenden Teilnehmers geeignet und/oder ausgelegt sein. Die Identifikations-Codes können ein Identifikationssystem bilden, das dazu geeignet und/oder ausgelegt sein kann, immer eine eindeutige Zuordnung zwischen Identifikations-Code und bezeichnetem Teilnehmer zu gewährleisten. Der Identifikations-Code kann zum Aufmodulieren auf einen Lichtstrahl geeignet und/oder ausgelegt sein.
Zum Verifizieren der festgestellten Identität kann ein kryptographisches System verwendet werden. Das kryptographische System kann ein symmetrisches Kryptosystem sein oder umfassen. Das kryptographische System kann ein asymmetrisches Kryptosystem sein oder umfassen. Das kryptographische System kann ein Public-Key-Verschlüsselungsverfahren sein. Zum Verifizieren der festgestellten Identität kann wenigstens ein gemeinsames Geheimnis (shared secret) verwendet werden. Das wenigstens eine gemeinsame Geheimnis kann ein nur den beteiligten Teilnehmern bekanntes Merkmal sein. Das wenigstens eine gemeinsame Geheimnis kann ein Passwort, ein Einmalpasswort, eine Passphrase, eine Zahl, ein Sicherheits-Token, eine Reihe von zufällig ausgewählten Bytes sein. Das wenigstens eine gemeinsame Geheimnis kann einem der folgenden Faktoren zugeordnet sein:

„knowledge“, also „Wissen“, etwas, das die beteiligten Teilnehmer wissen, beispielsweise ein Passwort; „ownership“, also „Besitz“, etwas, das nur die beteiligten Teilnehmer besitzen, beispielsweise ein Sicherheits-Token; „inherence“, also „Inhärenz“, etwas, das die beteiligten Teilnehmer sind, beispielsweise ein spezifischer Sensor; „location“, also „Ort“, ein Ort, an dem sich die beteiligten Teilnehmer befinden. Das kryptographische System kann eine kryptografische Hashfunktion umfassen. Zum Verifizieren der festgestellten Identität können Metadaten verwendet werden. Das wenigstens eine gemeinsame Geheimnis kann vor oder während einem Aufbauen einer Verbindung zwischen den Teilnehmern ausgetauscht werden.

Zum Verifizieren der festgestellten Identität können wenigstens zwei unterschiedliche Faktoren kombiniert werden. Zum Verifizieren der festgestellten Identität kann eine Zwei-Faktor-Authentifizierung oder eine Multi-Faktor-Authentifizierung verwendet werden. Die kombinierten Faktoren können unterschiedlich und/oder voneinander unabhängig sein.
Der Verbindungsaufbau und/oder die Identifizierung und Verifizierung können/kann in unidirektionaler Kommunikation und/oder in einem Simplexbetrieb erfolgen. Der Verbindungsaufbau und/oder die Identifizierung und Verifizierung können/kann von dem wenigstens einen weiteren Teilnehmer zu dem ersten Teilnehmer erfolgen. Beim Verbindungsaufbau und/oder der Identifizierung und Verifizierung kann der erste Teilnehmer passiv und der wenigstens eine weitere Teilnehmer aktiv kommunizieren. Der Verbindungsaufbau und/oder die Identifizierung und Verifizierung können/kann mithilfe eines Assistenzsystems eines optischen Hauptkommunikationssystems erfolgen.
Zur Identifizierung und Verifizierung können senderseitig eine Identifikationsinformation und eine Verifikationsinformation auf den Lichtstrahl aufmoduliert werden. Die Identifikationsinformation und die Verifikationsinformation können empfängerseitig durch Demodulation zurückgewonnen werden. Die Identifikationsinformation und die Verifikationsinformation können abwechselnd und/oder periodisch wiederholt übertragen werden.
Nach erfolgreicher Identifizierung und Verifizierung können/kann der erste Teilnehmer und/oder der wenigstens eine weitere Teilnehmer autorisiert werden. Eine Autorisierung kann einen Teilnehmer zur Nutzung wenigstens eines vorbestimmten Dienstes berechtigen und/oder wenigstens einen vorbestimmten Zugang gewähren.
Die Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung kann mehrschichtig erfolgen. Zur Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung kann eine Schichtenarchitektur oder ein Schichtenmodell verwendet werden. Die Schichtenarchitektur oder das Schichtenmodell kann eine Basisschicht und wenigstens eine höhere Schicht aufweisen. Den Schichten können Aspekte zugeordnet sein. Erlaubte Abhängigkeitsbeziehungen zwischen den Aspekten können derart eingeschränkt sein, dass Aspekte einer höheren Schicht nur solche tieferer Schichten verwenden dürfen. Eine Schicht, insbesondere die Basisschicht, kann Datenbanken oder Lookup-Tabellen für bekannte Knoten umfassen.
Zur Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung kann ein Vertrauens-Modell etabliert und/oder verwendet werden. Das Vertrauens-Modell kann durch Zero Trust verbessert oder verstärkt werden. Zur Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung kann ein Zero-Trust-Modell verwendet werden.
Nach erfolgreicher Identifizierung und Verifizierung und/oder nach einer Autorisierung kann eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht werden. Nach erfolgreicher Identifizierung und Verifizierung und/oder nach einer Autorisierung kann die aufgebaute Verbindung in einem Duplexbetrieb genutzt werden. Bei der Nutzung der aufgebauten Verbindung können der erste Teilnehmer und der wenigstens eine weitere Teilnehmer aktiv kommunizieren. Eine Nutzung der aufgebauten Verbindung kann mithilfe eines optischen Hauptkommunikationssystems erfolgen.
Die Vorrichtung kann ein optisches Kommunikationssystem aufweisen. Das optische Kommunikationssystem kann wenigstens ein optisches Kommunikationsterminal (optical communication terminal, OCT) aufweisen. Das wenigstens eine optisches Kommunikationsterminal kann auch kurz als Terminal bezeichnet werden. Die Vorrichtung kann ein das Kommunikationssystem unterstützendes Assistenzsystem aufweisen. Das Assistenzsystem kann ein Subsystem des Kommunikationssystems, eine Erweiterung des Kommunikationssystems, Teil des Kommunikationssystems und/oder in das Kommunikationssystem integriert sein. Das Assistenzsystem kann wenigstens einen Multi-User-Erfassungs- und Verfolgungssensor (multi-user acquisition and tracking sensor, MUATS) aufweisen. Der Begriff MUATS kann vorliegend auch zur Beschreibung von Funktionalitäten verwendet werden. Die informationstechnische Kontrolleinrichtung kann zum Ausführen des erfindungsgemäßen Computerprogramms ausgelegt sein. Die informationstechnische Kontrolleinrichtung kann wenigstens einen Prozessor, wenigstens einen Arbeitsspeicher, wenigstens einen Datenspeicher, wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Die informationstechnische Kontrolleinrichtung kann als Computer, beispielsweise als Bordcomputer eines Satelliten, ausgeführt sein. Die Vorrichtung und/oder das optische Kommunikationssystem können/kann wenigstens ein Sendermodul, wenigstens ein Empfängermodul und/oder wenigstens ein Sendeempfängermodul aufweisen. Die Vorrichtung und/oder das optische Kommunikationssystem können/kann wenigstens eine Lichtquelle und eine Modulationseinrichtung zum Modulieren eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls aufweisen. Die wenigstens eine Lichtquelle kann ein Laser sein. Die Vorrichtung und/oder das optische Kommunikationssystem können/kann wenigstens einen Lichtsensor und eine Demodulationseinrichtung zum Demodulieren von auf einen Lichtstrahl aufmodulierten Daten und/oder Informationen aufweisen. Die Vorrichtung, das optische Kommunikationssystem und/oder Module der Vorrichtung können/kann einem Teilnehmer zugeordnet und/oder an einem Teilnehmer angeordnet sein. Ein dem ersten Teilnehmer und/oder einem angerufenen Teilnehmer zugeordnetes Kommunikationsterminal kann auch als lokales Terminal bezeichnet werden. Ein dem wenigstens einen weiteren Teilnehmer und/oder einem anrufender Teilnehmer zugeordnetes Kommunikationsterminal kann auch als Remote Terminal bezeichnet werden. Die Vorrichtung kann zumindest teilweise redundant ausgeführt sein.
Das Computerprogramm kann auf der informationstechnischen Kontrolleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung speicherbar, installierbar und/oder ausführbar sein. Das Computerprogramm kann als gespeicherter, installierter und/oder ausgeführter Programmcode vorliegen. Das Computerprogramm kann auf einem Datenträger als installierbare und/oder ausführbare Programmdatei vorliegen. Das Computerprogramm kann dazu dienen, in einen Arbeitsspeicher einer informationstechnischen Kontrolleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geladen und/oder mithilfe wenigstens eines Prozessors ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mithilfe des Computerprogramms ausführbar sein.
Durch eine Erweiterung mit AUTO-TDS kann MUATS verbessert werden. Es können einerseits ein Name / ID / Ort eines remote Terminals bestimmt und andererseits über ein Sicherheitsverfahren eine Sicherheitsabfrage durchgeführt werden, die sicherstellt, dass es sich bei einem identifizierten remote Terminal wirklich um dasjenigen handelt für das es sich ausgibt.
Ein Identifizierungscode kann auf einen Lichtstrahl aufmoduliert und mithilfe des Lichtstrahls übertragen werden. Ein Lichtstrahl kann demoduliert und der aufmodulierte Identifizierungscode kann ausgelesen werden. Für jeden Teilnehmer kann ein einmaliger Identifizierungscode verwendet werden. Eine Identifizierung kann mithilfe eines asymmetrischen Kryptosystems, insbesondere mithilfe eines Public-Key-Verschlüsselungsverfahrens, verifiziert werden. Wenigstens ein Teilnehmer kann ein Satellit oder eine Bodenstation sein.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein System zur automatischen Verbindungsherstellung bei Satelliten-Kommunikation inklusive Gegenstellenerkennung und Vertrauensabsicherung.
Ein MUATS Sensor kann um zwei Funktionalitäten erweitert werden. Die erste Funktionalität ist die direkte Identifizierung des Remote Terminals. Dies kann mittels eine Identifikations Codes (ID) erfolgen, welche auf das Laserlicht des remote Terminals aufmoduliert sind. Eine Erweiterung, welche die Demodulation des Laserlichtes ermöglicht, verschafft dem Sensor-AUTO-TDS Zugriff auf dies übertragene ID. Die ID ist einmalig für jedes remote Terminal und erlaubt so eine direkte Zuordnung von Typ und Standort.
Die zweite Funktionalität, die hinzugefügt werden kann, ist die Überprüfung, dass es sich wirklich um das Remote Terminal handelt, welches die ID impliziert. Hierzu können etablierte private / public key Verschlüsselungs- bzw. Identifikationsverfahren genutzt werden, um das Remote Terminal als vertrauenswürdigen Partner zu verifizieren. Dies Vorgehen kann einem Trustworthiness check entsprechen, wie er z.B. beim Surfen im Internet durchgeführt wird, bei dem der Browser die Trustworthiness der Zielwebseite überprüft.

Im vorliegenden Text verwendete Akronyme und Abkürzungen sind in der folgenden Liste enthalten:

Acq.	Erfassung (acquisition)
AOCS	Lage- und Orbitalkontrollsystem (attitude and orbital control system)
ARTES	Fortgeschrittene Forschung in Telekommunikationssystemen (Advanced Research in Telecommunications Systems)
AUTO-TDS	AUTonomer Optischer Terminal-Detektions-Sensor (AUTonomous Optical Terminal Detection Sensor)
BB	Steckplatine (breadboard)
CAS	Kurserfassungssensor (course acquisition sensor)
CAGR	zusammengesetzte jährliche Wachstumsrate (compound annual growth rate)
CCSDS	Beratender Ausschuss für Raumfahrt, Datensysteme (Consultative Committee for Space, Data Systems)
DDoS	distributed denial of service
DTE	direkt zur Erde (direct to earth)
DTN	verzögerungstolerantes Netzwerk (delay tolerant network)
EDRS	Europäischer Datenrelaissatellit [Dienst] (European Data Relay Satellite [service])
EML	Erde-Mond-Kalibrierungspunkt (Earth-Moon-Libration point)
ESA	Europäische Raumfahrtagentur (European Space Agency)
FAS	Feinerfassungssensor (fine acquisition sensor)
FDIR	Fehlererkennung und -isolierung (fault detection and isolation)
FIT	Zeitfehler (failure in time)
FoV	Sichtfeld (field of view)
FPA	Feinausrichtungsbaugruppe (fine pointing assembly)
FPA	Fokalebenen-Baugruppe (focal plane assembly)
FPGA	Feldprogrammierbares Gate-Array (field programmable gate array)
FSO	Freiraum-Optik [Kommunikation] (free-space optical [communication])
FWHM	volle Breite halbes Maximum (full-width half maximum)
GEO	Geostationäre/synchrone Umlaufbahn (Geo stationary/synchronous orbit)
GNSS	Globaler Navigationssatellitendienst (Global Navigation Satellite Service)
GS	Bodenstation (ground station)
GSOC	Deutsches Raumfahrtkontrollzentrum (German Space Operation Center)
HyDRON	Optisches Netzwerk mit hohem Durchsatz (High ThRoughput Optical Network)
ID	Identifikation, Identität (identification, identity)
ISL	Inter-Satelliten-Verbindungen (inter satellite links)
ITU	Internationale Fernmeldeunion (International Telecommunication Union)
JDRS	Japanischer Datenrelaissatellit (Japanese Data Relay Satellite)
JOP	Jena-Optronik GmbH
LCT	Laser-Kommunikations-Terminal (laser communication terminal)
LEO	niedrige Erdumlaufbahn (low earth orbit)
LMS	Verbindungs-Verwaltungs-System (link management system)
LUT	Nachschlagetabelle (look-up table)
MCC	Missionskontrollzentrum (mission control center)
MEO	mittlere Erdumlaufbahn (medium earth orbit)
MOC	Missionskontrollzentrum (mission operation center)
MUATS	Multi-User-Erfassungs- und Verfolgungssensor (multi-user acquisition and tracking sensor)
MVP	minimales lebensfähiges Produkt (minimal viable product)
NORAD	Nordamerikanisches Kommando zur Luft- und Raumfahrtverteidigung (North American Aerospace Defense Command)
OCT	Optisches Kommunikationsterminal (optical communication terminal)
OGS	Optische Bodenstation (optical ground station), siehe GS
OISL	optical inter satellite links (Optische Inter-Satelliten-Verbindungen), siehe ISL
OOK	On-Off Keying
PTIM	Person-in-die-Mitte (person-in-the-middle)
PSA	Punkt-Streuungs-Funktion (point-spread function)
PSK	Phasenumtastung (phase shift keying)
QoS	Dienstgüte (quality of service)
RF	Funkfrequenz (radio frequency)
RX / TX	Empfangen / Übertragen (receiving / transmitting)
SCC	Raumfahrt-Kontrollzentrum (spacecraft control center)
ScyLight	Sicherheits- und Laser-Kommunikationstechnologie (Secure and Laser communication Technology)
SDA	Raumfahrt-Entwicklungsbehörde (Space Development Agency)
SNR	Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio)
SOE	Ereignisfolge (Sequence of Events)
TDP-1	Technologie-Demonstrator-Nutzlast 1 [Tesat LCT135 auf Alphasat] (Technology Demonstrator Payload 1 [Tesat LCT135 on Alphasat]
TDRS	Verfolgungs- und Datenrelaissatellit (Tracking and Data Relay Satellite)
TECO	Koordinationsbüro der ESA (ESA's coordination office)
TLE	Zweileitungselement (two-line element)
TM / TC	Telemetrie / Telekommando (telemetry / telecommand)
TS	Verfolgungssensor (tracking sensor)
UAV	unbemanntes Luftfahrzeug (unmanned aerial vehicle)
UC	Unschärfekegel (uncertainty cone)
5G	Technologiestandard der fünften Generation für zellulare Breitbandnetze (fifth-generation technology standard for broadband cellular networks)

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 einen MUATS, der auf einem GEO-Raumfahrzeug angebracht ist, um alle potenziellen und sichtbaren Boden-, Flugzeug- und LEO-OCTs zu erfassen;
2 eine Übersicht über ein optisches Kommunikationssystem;
3 eine Übersicht über Eigenschaften einer MUATS-Kamera;
4 einen zusammengebauten MUATS (a), interne MUATS-Leiterplatten und - Rahmen (b) und eine MUATS Ausgestaltung in Explosionsdarstellung (unten);
5 ein MUATS-Blockschaltbild;
6 ein Zeitdiagramm eines Doppeldetektorbetriebs mit verschachteltem Auslesen im Vergleich zu einem Einzeldetektorbetrieb;
7 eine Visualisierung einer MUATS-Erkennungs- und Verfolgungsleistung in einem Test, der mit dem MUATS-Breadboard-Hardwareaufbau durchgeführt wurde;
8 eine Tabelle zu Funktionen von AUTO-TDS;
9 einen Kommunikationsvergleich zwischen EDRS und MUATS-erweitertem EDRS innerhalb von 1 Stunde für Verbindungen, die 15 Minuten lang (laser)aktiv sind, MUATS reduziert eine Erfassungs- und Verfolgungsdauer während eines Verbindungsaufbaus, dadurch wird eine Flexibilität zur Aufnahme neuer Verbindungen und zur Vermeidung von Wartezeiten erheblich verbessert;
10 eine Tabelle zum Vergleich von EDRS mit und ohne MUATS;
11 mögliche Datenraten, die für eine Bakenmodulation verwendet und mit AUTO-TDS empfangen werden können;
12 OGS-Standorte in MUATS' FoV von EDRS-A in Richtung Europa. Ein Sentinel 2a durchquert das FoV (simuliert auf der Grundlage von TLEs);
13 eine Zuverlässigkeit von Bodenstationen - je mehr einzelne optische Bodenstationen zur Verfügung stehen, desto größer ist eine Chance, auf eine andere OGS auszuweichen, wenn eine aus Gründen wie dem Wetter nicht genutzt werden kann;
14 Verfügbarkeiten von OGS-Bodenstationen auf Basis von Reliabilitäten mit fiktiven Beispielwerte, siehe 12 ( );
15 Kombinationen für gegebene Terminalwechsel/Sprünge bei einem Kom m u nikationsrouting;
16 ein Netzwerk: EDRS, Galileo, Starlink/OneWeb;
17 ein Netzwerk: Von einer Erd-OGS (links) in das Moonlight-Netzwerk (rechts); und
18 einen Aufbau eines um zwei separate Modulationssignale erweiterten Laserkommunikationskanals.

Eine optische Freiraumkommunikation oder Laserkommunikation zwischen Teilnehmern kann mithilfe eines optischen Kommunikationssystems mit einem MUATS verbessert werden. Damit können Vorteile in Bezug auf eine Erfassungszeit und eine Begrenzung einer Anzahl beobachtbarer OCTs erzielt werden. Wie in 1 und 2 gezeigt kann das System auf einem GEO-Satelliten als erster Teilnehmer eingesetzt werden.
Das optische Kommunikationssystem kann folgende Elemente aufweisen: MUATS, ein oder mehrere OCT-Sender/Optikköpfe, Bordcomputer (BC).
MUATS und die OCT-Optikköpfe können gemeinsam auf einer optischen Bank angeordnet sein. Die Bank kann an einer Satellitenplattform befestigt sein. Sowohl MUATS als auch die optischen OCT-Köpfe können Synchronisationssignale und Telekommandos empfangen und Telemetrie und Daten mit dem Bordcomputer austauschen. Der Bordcomputer kann Daten empfangen, verwalten und zusammenführen, auch von AOCS-Sensoren, und MUATS und OCT steuern.
Eine Systemfunktionalität von MUATS kann einem Betrieb eines Star-Trackers ähneln. Ein kollimiertes, punktförmiges Objekt, wie Stern oder Laserquelle, kann von einer Teleskopoptik erfasst und auf einer Brennebeneneinheit (Detektor) abgebildet werden, siehe 4, unten, „Imaging System“. Darüber hinaus kann der Sensor radiometrische Messungen durchführen, um eine Winkelposition einer Laserquelle in einem Bezugssystem und ihre Größe (Laserleistung) zu ermitteln.
Die Hauptaufgabe des Sensors kann ein Suchen, Erfassen und Verfolgen aller potenziellen sichtbaren OCTs weiterer Teilnehmer in seinem Sichtfeld, einschließlich bodengestützter OCTs auf der Erde sowie luft- und raumgestützter OCTs (LEO-Raumfahrzeuge) sein.
Um seinen Aufgabenbereich zu erfüllen, kann der Sensor eine Aktualisierungsfrequenz von 200 Hz aufweisen, um jeden kurzen Leuchtimpuls/Lichtblitz (Blip) zu erkennen, der von einem potenziellen Gegen-OCT eines weiteren Teilnehmers ausgesendet wird.
Das optische Kommunikationssystem kann drei Zustände haben: A. Erstmalige Erfassung; B. Passive Verfolgung; C. Aktive optische Kommunikation.
Im Zustand A (Ersterfassung) kann es mehrere Sekunden dauern, bis die Winkelposition eines optischen Terminals über seine optische Bake oder seinen Kommunikationslaser erfasst ist. in Zustand B (passive Verfolgung) kann die Winkelposition der zuvor erfassten Baken kontinuierlich überwacht und ein fast sofortiger (Millisekunden) Start von Zustand C (aktive optische Kommunikation) über seinen Assistenten OCT ermöglicht werden.
Dies ermöglicht eine passive Verfolgung mehrerer Gegenstellen oder weiterer Teilnehmer, ohne dass die Richtungsinformationen verloren gehen, und ein schnelles Umschalten zwischen zuvor erfassten Stellen, z. B. zur Durchführung von Zeitmultiplex, da die Stellen, zwischen denen gewechselt/gesprungen werden soll, bereits erfasst wurden und ihre Winkelposition bekannt ist.
Die wichtigsten Merkmale des Sensors sind in 3 zusammengefasst.
Das MUATS-Sensorkonzept kann als vollständig passives Assistenzsystem für Laserkommunikationsterminals ausgelegt sein, das auf einem GEO-Satelliten installiert werden kann. Seine Aufgabe ist es, ein oder mehrere begleitende OCTs mit seinem Sichtfeld zu unterstützen, das mit +/-3° Mitteleuropa und Teile Nordafrikas mit einer Optik abdecken kann. Außerdem kann er bis zu 20 Gegen-OCTs weiterer Teilnehmer erkennen, erfassen und verfolgen und deren Winkelpositionsinformationen mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz an das begleitende OCT übermitteln. Mit diesen Informationen kann ein begleitendes OCT in der Lage sein, schnell Kommunikationsverbindungen zwischen den einzelnen Gegenstellen eines ersten Teilnehmers und wenigstens eines weiteren Teilnehmers herzustellen und Daten auszutauschen.
Um das Sichtfeld zu vergrößern, kann eine Optik an spezifische Anforderungen angepasst werden. Oder mehrere MUATS können von einem Satelliten aus verschiedene Zonen auf der Erde beobachten.
MUATS kann als geschlossene Baugruppe ausgelegt sein, wie in der 4 dargestellt. Die Baugruppe kann aufweisen: 2x identische, strahlenharte refraktive Teleskopoptiken; 2x InGaAs-Detektoren mit eigener Elektronik und verschachtelter Auslesung; 1x FPGA mit dedizierter Elektronik, einschließlich Stromversorgung und SpaceWire-Kunden-IF (Zwischenfrequenz).
Alle notwendige Hardware kann in einem mechanischen Gehäuse untergebracht sein, um einen autonomen Betrieb und ein einfaches Redundanzkonzept zu ermöglichen (4 (a) und (b)). Es berücksichtigt die Idee von verschachtelten Detektorausleseregimes zwischen zwei Detektoren. Damit kann eine Bildfrequenz von 200Hz bei einer Mindestpixelauflösung von 1 k erreicht werden. Mit 200Hz anstelle von 100Hz wird eine Implementierung spezieller Algorithmen ermöglicht, um ein Hintergrundsignal der Erde (kürzere Integrationszeiten führen zu einem geringeren Hintergrundsignal) auf dem Detektor zu verarbeiten und kurze und schwache Lichtblitze (Blips) zu erkennen. Außerdem werden solche Blips nicht übersehen, da es keine Blindphase gibt, während ein Detektor ausgelesen wird. Wenn ein Detektor ausgelesen wird, kann der andere aktiv sein, siehe 6.
Ein verschachtelter Betrieb soll eine Bildfrequenz von 200Hz ermöglichen, indem zwei Detektoren in einem phasenverschobenen Ausleseverfahren eingesetzt werden, die jeweils mit 100Hz arbeiten.
6 zeigt ein Zeitdiagramm der verschachtelten Detektorauslesung im Vergleich zum herkömmlichen Betrieb mit einem einzelnen Detektor. Während eine diskontinuierliche Integration eines herkömmlichen Betriebsschemas zu einer Blindzeit (5ms) und damit zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit führt, einen Blip zu verpassen, ermöglicht der verschachtelte Betrieb eine kontinuierliche Integration, so dass es überhaupt keine Blindzeit gibt, siehe 6, integration path (Integrationspfad). Die Eigenschaft „keine Blindzeit“ kann für eine zuverlässige Erfassung von Blips wesentlich sein. Dies liegt daran, dass eine Dauer von Blips relativ kurz ist (100µs) und sie nur selten auftreten.
Der FPGA kann den Erfassungs- und Verfolgungsalgorithmus implementieren, einschließlich: Detektorsteuerung (2 Detektoren); Dekodierung des Datenstroms (4 Video-Links); Rohdatenverarbeitung (defekte Pixel, Korrektur des Rauschens bei festen Mustern); Objekt-Erkennung; Sub-Pixel-Zentrierung; Ersterfassung und Verfolgung von Ereignissen; Speicherung von Verfolgungslisten.
Eine technische Basisvariante kann ohne separate Prozessorsteuerungsplatine ausgeführt sein, so dass der FPGA zusätzliche Aufgaben übernehmen muss, darunter: Persistente Speicherung der Konfiguration; Telekommando/Telemetrieschnittstelle; FDIR-Verarbeitung; Boot-/Power-up-Verfahren.
Im Rahmen von Breadboarding-Aktivitäten von MUATS wurde eine Reihe von Tests mit dem MUATS-Breadboard (BB) durchgeführt. 7 zeigt die Ergebnisse eines Tests, bei dem drei kollimierte Laserquellen (1550nm) verwendet wurden, um statische und dynamische Kommunikationspartner am Boden und im LEO-Orbit zu emulieren. Diese Quellen haben die folgenden Eigenschaften: Laserquelle ID0:

statische Bodenstation (OGS), die mit 2 Hz blippt (linkes Objekt); Laserquelle ID1:
- bewegliches Dauerstrich-Laserobjekt, d. h. aktiv sendend, das die Satellitenflugbahn von Sentinel 1A simuliert (mittleres Objekt); Laserquelle ID2/3: bewegliches Objekt, das mit 2 Hz blippt und sich parallel zu Sentinel 1A bewegt (rechtes Objekt).

Eine Bewegung des Objekts kann durch Platzieren des MUATS BB auf einem Drehtisch und der dynamischen Laserquellen außerhalb einer Rotationsebene des Drehtischs erzeugt werden. Eine statische Laserquelle hingegen kann zusammen mit dem MUATS auf dem Drehtisch platziert werden, um eine Relativbewegung zwischen dem Laser und dem MUATS zu verhindern. 7 zeigt vom FPA-Detektor des MUATSs aufgenommene Einzelbilder (frames) und eine zeitliche Entwicklung eines Erkennungs- und Verfolgungsalgorithmus während eines Tests. Während des gesamten Tests wurde eine Bildrate von 10Hz verwendet. Nachfolgend werden die Einzelbilder aus 7 kurz beschrieben.
In dem in 7 (a) gezeigten Einzelbild 2 wird die OGS zum ersten Mal erkannt und eine Objekt-ID (ID0) durch den Algorithmus definiert. Da das Objekt mit einer Frequenz von 2Hz hin- und herspringt, wird es in dem in 7 (a) gezeigten Einzelbild 7 zum zweiten Mal erkannt. Der Tracking-Algorithmus benötigt mindestens zwei Erkennungen, um ein Objekt zuzuordnen, d. h. um festzustellen, ob dieses Objekt schon einmal beobachtet wurde. Ein erfolgreicher Abgleich, d. h. eine Bestätigung des Objekts, kann beispielsweise durch ein rotes Quadrat angezeigt werden, das die gleiche Objekt-ID wie bei der ersten Erkennung zeigt. Wie in der Entwicklung der Einzelbild 7 (a) bis (I) zu sehen ist, wird das Objekt mit der ID0 immer erfolgreich verfolgt, da es seine eindeutige ID für den gesamten Test behält.
7 (c) zeigt Einzelbild Bild 88, in dem das Objekt 1, das Sentinel 1A simuliert, in das Sichtfeld des Sensors am unteren Rand des Bilds eintritt. Seine erste Erkennung wird beispielsweise durch eine grüne ID1 dargestellt. Da der Satellit sendet, trifft der Laser in jedem Einzelbild kontinuierlich auf MUATS. Daher wird der Satellit im Folgebild, Einzelbild 89, zum zweiten Mal erfolgreich erkannt, was beispielsweise durch ein rotes Quadrat mit ID1 veranschaulicht werden kann und auf ein erfolgreiches Matching und Tracking des Objekts hinweisen kann, wie in 7 (d) gezeigt. Darüber hinaus wird dieses Objekt während des gesamten Tests gut verfolgt. Jede Erkennung des Objekts kann mit einem gelben Punkt markiert sein, der Flugbahnen der Satelliten nachzeichnet.
In 7 (e) tritt ein Satellit mit ID2 zum ersten Mal in das Sichtfeld ein. Aufgrund der Eigenschaften des Versuchsaufbaus kommt es an bestimmten Drehtischpositionen zu Verdeckungen von Lasern. Aufgrund dieser Verdeckungen wird Objekt 2 beim zweiten Mal nicht erkannt. Ausgehend von der Pixelposition bei der Erkennung erweitert sich der Suchradius nicht schnell genug, so dass das sich bewegende Objekt seinen Fangradius überschreitet. Es wird in Bild 572, siehe 7 (f), an einer anderen Position erkannt, wo es als ein anderes Objekt mit neu zugewiesener ID3 behandelt wird. Da dieses Objekt mit einer Rate von 2Hz hin und her springt, wird es bei Bild 577 zum zweiten Mal erkannt und somit zugeordnet und verfolgt, wie das rote Quadrat mit ID3 in 7 (g) zeigt. Durch die Verwendung der geschätzten Geschwindigkeitsinformationen ist die Verfolgung des Objekts mit ID3 zur Erinnerung an den Test erfolgreich, was aus den Einzelbilder (g) bis (I) und der Tatsache, dass alle zugewiesenen Objekt-IDs statisch und stabil bleiben, ersichtlich ist. Da das Objekt mit der ID2 nicht mehr beobachtet wurde, wird es aus der Tracking-Liste gelöscht und ist somit in den Einzelbildern (h) bis (I) nicht mehr sichtbar. Die Einzelbild (h) bis (I) zeigen schließlich den weiteren zeitlichen Verlauf des Tests mit stabilem Tracking und den Blipping-Eigenschaften der Objekte 0 und 3.
Der Test zeigt eine erfolgreiche Hardware-Demonstration des geplanten Sensorkonzepts und ist vielversprechend im Hinblick auf die Machbarkeit eines solchen Sensors.
Mit AUTO-TDS kann die Laserkommunikation erweitert werden. AUTO-TDS kann eine Anwendung bzw. Vorrichtung sein, in der MUATS verwendet wird, und einen Funktionsumfang erweitern. In seiner Minimalkonfiguration als MUATS kann AUTO-TDS bereits bestehende Laserkommunikationsnetze verbessern. Netzwerke, wie HyDRON und Moonlight, können durch einen autonomen Betrieb von Netzwerken mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Knoten ermöglicht werden. 8 zeigt eine aktuelle Situation als Breadboard und einen Generierungsansatz, um alle notwendigen Funktionen für ein vollständiges Self-Routing-Netzwerk (optisch oder hybrid) hinzuzufügen.
Ein Hauptziel von Laserkommunikationssystemen kann eine Maximierung eines Datendurchsatzes pro Tag sein. MUATS und AUTO-TDS ermöglichen es, dieses Ziel zu erreichen.
Die derzeitigen Netze wie EDRS haben das Potenzial, ihren Durchsatz durch zwei Aspekte zu erhöhen: Übergang von manuell vorgeplanten Verbindungen zur autonomen Verbindungserfassung; Ermöglichung von mehr Verbindungen pro Tag durch weniger Overhead-Zeit aufgrund von untätigem Warten, mechanischer Bewegung des Teleskops, schnellerer Erfassung.
Erstens ist die Planung von Verbindungen Minuten, Stunden oder sogar Tage vor der eigentlichen Ausführung nicht flexibel und verkürzt die Zeit für die Datenübermittlung. Wenn eine im Voraus geplante Verbindung nicht zustande kommt, ist eine Neuplanung durch Neuzuweisung des Zeitfensters an einen anderen Anrufer arbeitsintensiv und kostet Zeit und Geld, und ist anfällig für Fehler und sogar für einen Verlust der Verbindung. Hier kann ein regelbasiertes Routing an Bord des Satelliten eine flexiblere Planung und Neuplanung der Verbindung ermöglichen.
Zweitens kann bei einem streng vorgeplanten Zeitplan ein Verbindungsverlust überhaupt nicht neu zugewiesen werden. Tatsächlich kann ein in letzter Minute verfügbarer freier Verbindungsfenster nicht von einem anderen Anrufer genutzt werden, da die Termine des Relaissatelliten, die dies erlauben, bereits abgelaufen sind. Für EDRS bedeutet dies, dass 45 Minuten vor der Verbindung keine Änderungen an Bord mehr zugelassen werden können, außer der Annullierung der Verbindung.
Schließlich gibt es auch während eines Link-Blocks Wartezeiten von mehreren Minuten, siehe Beispiel in 9. Auch wenn eine weitere Verbindung perfekt hineinpassen würde, kann sie nicht für einen flexiblen Abruf zugewiesen werden, da die Fristen bereits abgelaufen sind.
10 zeigt einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen EDRS-System und zwei Situationen, in denen EDRS AUTO-TDS verwenden würde. Bei einem Betrieb von EDRS in seiner herkömmlichen Form können etwa 35 Link-Blöcke pro Tag betrieben werden. Jeder Link-Block würde eine 15-minütige Verbindung mit aktivem Laser beinhalten. Während dieser 15 Minuten werden die ersten 30 Sekunden dazu genutzt, dass beide Terminals einander finden und die Kommunikation aufnehmen. Diese 30 Sekunden werden also nicht für die Übertragung von Daten genutzt. Vor jeder Verbindung wird ein LCT-Teleskop aus seiner Ausgangsposition entparkt und zum erwarteten Startpunkt des Ziels bewegt. Dies dauert etwa 60 Sekunden. Nach jeder Verbindung fährt das Teleskop zurück in die Ausgangsposition und parkt erneut. Dies dauert ebenfalls ca. 60 Sekunden, abhängig von der Endposition des Links, siehe 9. innerhalb der Home-Position können verschiedene Kalibrierungen durchgeführt werden. Insgesamt werden also - inklusive aller Warte- und Erfassungszeiten sowie aller anderen nicht effektiven Übertragungszeiten - 34,5% eines Tages effektiv für die Datenübertragung genutzt. Der Rest ist Overhead und hauptsächlich Wartezeit.
in der „verbesserten“ Situation wird nur die Erfassungs- und Verfolgungszeit von 30 Sekunden auf etwa 10 Sekunden reduziert. Alles andere bleibt gleich (Entparken, Verknüpfen, Parken, siehe 9), und es kann ein Netto-Plus von etwa 154 Gbyte pro Tag erzielt werden, was 35,3 % der Zeit für die Datenübertragung entspricht. Damit wird der herkömmliche Betriebsablauf im EDRS-Modus verbessert.
Das Maximum des möglichen Durchsatzes ist in der Spalte „Maximiert“ dargestellt. Dort wird der Betriebsablauf, siehe 9, optimiert, um die maximale Anzahl aufeinander folgender Verbindungen zu ermöglichen. Folgende Änderungen können vorgenommen werden: Auf ein Zurückkehren des Teleskops zur Ausgangsposition verzichtet werden und es kann immer der nächste Anrufer angepeilt werden, dadurch wird keine Zeit für das Hin- und Herfahren benötigt, lediglich die direkte Bewegung von der Position des zuvor beendeten Links zur Startposition des nächsten Links ist für das erneute Anvisieren erforderlich; Die Erfassungs- und Verfolgungszeit kann auf 10 Sekunden festgelegt werden; die Wartezeit kann auf Null reduziert werden.
Das bedeutet, dass die Link-Blöcke viel kürzer sind und sozusagen Hot-Laser hintereinander abgefeuert werden. Hier sind etwa 25 Minuten frei für weitere Links. Diese könnten auch vorgeplant werden, allerdings unter der Voraussetzung, dass die Planung fehlerfrei war und alle Links durchgeführt werden. Da AUTO-TDS kontinuierlich potentielle Kommunikationspartner akquiriert und verfolgt, ermöglicht es eine Kompression der Wartezeit auf ein Minimum, was zu einer Maximierung der seriellen Link-Akquisition und der Datenübertragungseffizienz pro Tag von 92,7% führt.
Der Einfachheit halber werden in beiden Fällen, d.h. dem erweiterten und dem maximierten, weitere Overhead-Link-Ausfallzeiten für Wartung, Kalibrierung und Abkühlung vernachlässigt. Auch die mechanischen Zeiten für das Aus- und Einparken und die Fahrt zum nächsten Ziel sind eine mittlere Schätzung und können je nach den tatsächlichen Start- und Stopporten, die das Teleskop anfahren muss, unterschiedlich sein.
AUTO-TDS kann derart ausgelegt sein, dass es mit dem CCSDS, „Optical Communications Physical Layer“ 141.0-P-1.1 (Pink Sheets) kompatibel ist. Das bedeutet, dass die ankommende Laserverbindung zusätzlich mit On-Off Keying (OOK) moduliert werden kann und der AUTOTDS (v1.0) Detektor in der Lage ist, diese unter bestimmten Bedingungen aus der ankommenden Modulation und Dauer zu demodulieren, siehe 11. Auf diese Weise kann ein Anrufer bereits Daten über einen zusätzlichen langsamen Kanal zum Satelliten übertragen, bevor die Laserverbindung auf ihr Hochgeschwindigkeits-Modulationsschema umschaltet und erfasst werden kann. Dies wird häufig für Bakensignale verwendet, wenn der Anrufer die Verbindung aufbauen will. Für AUTO-TDS bedeutet dies, dass, während der Anrufer noch nicht vom LCT neben AUTO-TDS beantwortet wird, AUTO-TDS Daten mit langsamer Geschwindigkeit von den verschiedenen erkannten Anrufern empfangen kann. Die Anrufer müssen den Signalkontakt zu AUTO-TDS aufrechterhalten und während der Langsamfahrtdatenübertragung ein Signal auf dessen Sensor projizieren. In diesem Zeitfenster ist es möglich, verschiedene Metadaten zu empfangen. Dies ist die Basis für einen OGS mit Bakenlaser für langsame und schnelle CCSDS-Datenübertragung und MUATS-Kamera und RX-mini LCT können sie empfangen. Bei den Lasern ohne Baken hängt dies von der Dauer des Blips und der Datenrate ab und funktioniert nicht mit den CCSDS-Datenraten.
Die Datenmenge hängt im Allgemeinen von der Wiederholungsrate und dem Zeitpunkt des Sensorkontakts ab. Die Wiederholrate der Bakenimpulse liegt nach CCSDS zwischen 0 und 20KHz. Da es sich um ein Einwegsystem handelt, weiß der Anrufer nicht, wann das LCT des Zielsatelliten mit seinem Laserlicht antworten wird und der Kontakt bestätigt wird. Für AUTO-TDS bedeutet dies, dass es zwei unterstützte Datenraten gibt, die auf der Aktualisierungsrate der MUATS-Kamera des Flächensensors basieren. Basierend auf einer zusätzlichen Fotodiode, die als „Mini-RX-LCT“ dient, die im Gegensatz zum Kommunikations-LCT nur empfängt, aber ein breiteres FoV hat und die Geschwindigkeit zwischen der MUATS-Kamera-Auffrischungsrate und den von CCSD geforderten maximal 20 KHz ausgleicht.
Für die Fälle Signale ohne Bake und Signale mit Bake, bedeutet dies, dass die Menge der übertragenen Daten fallabhängig ist. Bake: hat ein kontinuierliches Signal und bedeutet keine zeitliche Begrenzung; erlaubt Geschwindigkeiten von bit/sec bis kbit/sec. Bakenlos: hat eine begrenzte Zeit auf dem Detektor im Bereich von µsecs bis msecs; erlaubt nur hohe Geschwindigkeiten im kbit/s-Bereich und führt dann nur zu einem Nettovolumen von Bits pro „Blip“.
Die Empfangskommunikation konzentriert sich auf Bakenlaser, die hauptsächlich für Zubringer-Uplinks von Bodenstationen verwendet werden, wo Sendeleistung zur Verfügung steht, die den Einsatz von Bakenlasern ermöglicht. Diese Feeder-Links können dann Metadaten an AUTO-TDS liefern, die für Routing, Authentifizierung und Sicherheit verwendet werden können, bevor das Haupt-LCT überhaupt antwortet. Wenn ein weiterer 15-Minuten-Laser-Link bereits aktiv ist und der Anrufer in der von AUTO-TDS gehaltenen Warteschlange warten muss, kann dies 9 Kbits an Metadaten (unter der Annahme einer Datenrate von 10 bit/s) bedeuten, die von AUTO-TDS empfangen werden, siehe 11, was für IP-basierte Frames mit Paketziel, Authentifizierungs-Tokens und zusätzliche Daten, die für den Link selbst wichtig sind, ausreicht. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Haupt-LCT die Daten entgegennimmt, sind alle Konfigurationen für den Routing-Pfad vorbereitet. Diese Funktion öffnet bereits die Tür für eine vollständige TCP/IP-Funktion und die Schaffung eines (verzögerungstoleranten) Internets im Weltraum und dessen Verknüpfung mit dem Internet auf der Erde. Die nächsten Abschnitte enthalten weitere Details.
AUTO-TDS kann als Unterstützungssystem bzw. Assistenzsystem für ein Hauptkommunikationssystem bzw. Kommunikationssystem ausgelegt sein. Das Hauptkommunikationssystem kann ein Ultra-Hochgeschwindigkeits- und Zwei-Wege-System sein. AUTO-TDS kann als eigenes System zwei Möglichkeiten bieten, moduliertes Laserlicht als OOK gemäß CCSDS 141 zu empfangen: MUATS-Kamera; Mini-RX-LCT.
Die erste Möglichkeit ist der Flächendetektor, der eine langsame Datenübertragung für alle erkannten Laserpunkte auf dem Detektor bietet. innerhalb dieses optischen Pfades und FoV können also alle empfangenen Photonen auf der Grundlage der Sensorgeschwindigkeit demoduliert werden. Dies ist die Basislinie und ermöglicht die Dekodierung von Bakenlasersignalen.
Die zweite Möglichkeit ist der Mini RX-LCT. Hierbei handelt es sich um eine spätere Hardware-Erweiterung des AUTO-TDS-Systems. Es verfügt über einen eigenen optischen Pfad und verwendet eine Fotodiode als empfangendes Sensorelement. Dies bietet höhere Abtastraten als die derzeit verfügbaren Flächensensoren und damit höhere Datenraten. Und obwohl die Geschwindigkeit höher ist als die des Flächensensors, ist sie vergleichbar langsam wie die des Hauptkommunikationslasers, der ebenfalls eine Fotodioden oder mehrere Schichten von Fotodioden verwendet. Durch die Verwendung der herkömmlichen Technologie und ihre Anpassung an die Bedürfnisse von AUTO-TDS kann das System AUTO-TDS perfekt vervollständigt werden. Es erlaubt höhere Geschwindigkeiten bei den Bakenlasern, ermöglicht aber auch die Datenübertragung bei Systemen ohne Baken in Abhängigkeit von der Dauer des Blips. Dies ermöglicht zukünftige Upgrades und Anwendungen für Baken- und bakenlose Systeme.
Wenn der Anrufer das übertragene Datenpaket weiterleiten möchte, ist dies mit AUTO-TDS möglich, bevor die Hauptkommunikationsverbindung überhaupt verfügbar und aktiv ist. Mit dem zuvor beschriebenen Datenempfang über den (Baken-)Laser, den AUTO-TDS bereits verfolgt, kann der Anrufer das Ziel des Pakets angeben. Bisher ist die Architektur so aufgebaut, dass die Daten vom GEO zu einer festen Bodenstation übertragen werden. Mit der Erfindung wird ein flexibles Routing und Rerouting in Konstellationen möglich.
Im Folgenden werden zwei Anwendungen beschrieben, nämlich die flexible Umleitung zu Bodenstationen und die allgemeine Umleitung über mehrere Knotenpunkte. Die erste Anwendung ist ein laserspezifisches Problem für den Fall, dass eine Bodenstation aufgrund schlechter Wetterbedingungen nicht erreicht werden kann, so dass eine andere, bereits wartende (heiße, redundante) Alternative verwendet werden kann. Die zweite Anwendung ist ein typisches TCP/IP-Problem aus dem Internet, das nun auch im Weltraum gilt, allerdings mit noch größeren Auswirkungen.
Die letzte Meile der Datenübertragung im Weltraum ist die DTE-Verbindung. Das bedeutet, dass die Laserverbindung vom Weltraum durch die Atmosphäre zum Bodenterminal übertragen werden muss. Je nach Richtung der Verbindung kann dies auch die erste Meile sein. AUTO-TDS löst auch diese Herausforderung, die im Folgenden erläutert wird.
Die Verfügbarkeit eines Bodenterminals hängt von vielen Faktoren ab. Der größte Faktor für die optische Kommunikation ist das Wetter und vor allem die Wolken. Dies gilt für Observatorien in großen Höhen, aber auch für alle Nutzer auf Meereshöhe wie kommerzielle, zivile (Botschaften) und militärische Einrichtungen. Wenn der SNR der Laserverbindung für die Ausbreitung durch das Medium zu niedrig ist, muss das Weltraumterminal ein anderes Ziel anpeilen. Dazu muss sich der OGS bereits im Hot-Mode befinden und auf die Satelliten ausgerichtet sein, oder er muss aufgeweckt werden. Das innovative AUTO-TDS kann beides.
Für die heißen OGS kennt AUTO-TDS sie bereits und kann den nächsten Standort aus der Liste der möglichen Alternativen liefern. Wenn die erste Verbindung nicht hergestellt werden kann, kann das LCT angewiesen werden, die nächste in der Warteschlange anzurufen. Auf diese Weise kann der Dienstanbieter die Verbindung zu einem seiner Bodenterminals umleiten und sie von dort aus über das Internet an den Zielort weiterverteilen.
Dies ist auch in umgekehrter Richtung möglich. Wenn das Bodenterminal sein eigenes AUTO-TDS integriert und aktiv hat, kann das Raumterminal auf seinen Standort verweisen, das AUTO-TDS am Boden weckt den OGS auf und die Verbindung kann hergestellt werden.
Was dies in Bezug auf die Verfügbarkeit bedeutet, wird im Folgenden anhand eines Beispiels für die Zuverlässigkeit von bis zu sechs Stationen gezeigt, aus 14 und in 12 dargestellt. Das Beispiel Alphasat TDP-1 wird hier als Hauptverbindung zur OGS in Teneriffa (Es) modelliert, sowie fünf weitere europäische Ziele, die von Alphasat aus sichtbar sind. Auch wenn dort das Wetter gut ist, 90% Verfügbarkeit, siehe 14, und es keine Wolken über der OGS Teneriffa (~2400m MSL) gibt, kann der berüchtigte Kalima-Sandsturm den Betrieb innerhalb weniger Minuten unmöglich machen. Er ist zwar selten im Jahr, aber häufiger als vergleichbare Phänomene auf dem europäischen Festland. In diesem Fall nimmt TDP-1 die Kommunikation auf, empfängt aber kein Gegenlicht von der OGS, da das Teleskop durch den Sand geschützt und nicht betriebsbereit ist, und kann die Kommunikation abbrechen und eine der anderen OGS auf der Liste anpeilen.
Die 13 zeigt das Ergebnis der einzelnen Parameter mit fiktiven Werten in 14 jeder Bodenstation allein als orangefarbene Punkte, eq.1. Betrachtet man jedoch eine Liste mit bis zu sechs Zielen, so verbessert sich die kombinierte Gesamtzuverlässigkeit drastisch von 33 % auf über 80 % beim vierten Ziel. Sie erreicht innerhalb weniger Stationen 90 %, eq.2, siehe 13, so dass die Daten mit hoher Sicherheit übertragen werden können. Der einzige verbleibende Aufwand ist die Neuausrichtung und der Beginn der Erfassung an jedem Zielort, bis eine Verbindung hergestellt werden kann. Die Bodenstationen können im heißen Redundanzmodus und im kalten Redundanzmodus betrieben werden, wobei der Laser des Satelliten die Bodenstation aufweckt.
Dies bietet den Telekommunikationsanbietern neue Möglichkeiten, die Datenübertragung zu gewährleisten und einen höheren Durchsatz zu erzielen.
Routing wird zu einem wichtigen Thema, wenn die Route selbst in Echtzeit gefunden werden muss und nicht wie bei EDRS vorgeplant ist.
Mit MUATS wird der Zugriff auf den nächsten Satelliten innerhalb Ihres Verbindungspfades völlig autonom. Jeder Satellit auf dem Verbindungsweg vom Start zum Ziel ist ein Knoten. Je mehr Knoten der Pfad hat, desto komplexer wird das Routing vom Start zum Ziel.
Es existieren bereits Standards und Protokolle aus dem Internet, die für das Routing verwendet werden können. Diese Protokolle werden an die Anforderungen der Raumfahrtanwendung und die Verzögerungstoleranz angepasst. Im Gegensatz zum Internet, wo die Verbindungen im Weltraum mit demselben Start- und Endpunkt wie einige Minuten zuvor fixiert sind, ist dies hier jedoch anders. Unsere „Fasern im Weltraum“ können sich mit jedem Knotenpunkt in Sichtweite und Reichweite verbinden. Die nächstliegende Analogie wäre also das 5G-Mobilfunk-Roaming, bei dem sich der Anrufer frei zwischen den Zellen bewegen und eine Verbindung zu einem beliebigen Sendemast herstellen kann, aber von dort aus werden regelbasierte und meist feste Leitungen zu den benachbarten Knotenpunkten verwendet. Demgegenüber ist das erfindungsgemäße System ein sich ständig neu konfigurierendes Netz/Graph von Knoten (Anrufer, Vermittler und Endknoten). Das heißt, jeder Knoten kann sich mit jedem anderen Knoten verbinden und ist nur begrenzt durch: Sichtbarkeit, innerhalb des mechanischen und optischen FoV, ungehinderter / unblockierter Weg (kein planetarischer Körper, keine atmosphärische Wolke, etc...); Erreichbarkeit, Entfernung innerhalb des SNR-Budgets, relativistische Ausbreitungseffekte; Erkennbarkeit, Entfernung innerhalb des SNR-Budgets, relativistische Ausbreitungseffekte.
Bestehende Lösungen für das Routing wie vier nächste Nachbarn, Verzögerungszeitschätzung oder feste Routen können verwendet werden. Die möglichen Kombinationen, Permutationen ohne Wiederholungen, eq.4, erlauben eine überschaubare Anzahl von Routen, eq.4, über die verfügbaren Knoten. Diese Art des Routings über Wechsel/Sprünge, eq.3, entlang aller Knoten ermöglicht geringe Verzögerungszeiten.
Gleichung 4, 15, verhält sich mit faktorieller Zeitkomplexität, d.h. die Zeit zum Finden aller Lösungen steigt mit der Anzahl der Knoten n, eq.5. Dies wirkt sich sowohl auf den bodengebundenen Schedule-Optimizer von EDRS als auch auf AUTO-TDS aus. $T (n) = O (n!)$
Um diese hohe Komplexität zu vermeiden, bietet AUTO-TDS ein Upgrade an, um eine Route zu finden, wie es aktuelle Internet-Switches tun, und implementiert einen regelbasierten Entscheidungsalgorithmus, um vollständige Routen zu finden und eine flexible Neukonfiguration zu ermöglichen, wenn der anrufende Satellit das FoV des Satelliten verlässt (Roaming) oder ein anderer besserer Pfad verfügbar ist (Quality of Service, QoS, basierend auf Verzögerung und Bandbreite). AUTOTDS ermöglicht es, diese Pfade zu finden und alle anderen benachrichtigten Knoten über die zukünftige Verbindung zu konfigurieren, die diesen Pfad benötigen werden. Dies hilft wiederum, Zeit und damit Geld zu sparen.
Auf dieser Ebene skaliert das Netz selbst mit der Anzahl der Nutzer. Die Nutzer rufen in das Netz wie in das bestehende 5G-Mobilfunknetz ein. Alle Knoten im Netz verfügen über aktuelles Wissen über alle Knoten. Dieser agnostische Ansatz ermöglicht ein vollständiges Self-Routing vom Nutzer zu den Zielen über alle Knoten. Eine komplexe Netztopographie ist nun einfach zu verwalten.
Insgesamt können mehrere Netze wie EDRS, TDRS, HyDRON, Moonlight, Starlink und andere, wenn sie mit Laserkommunikationssystemen aufgerüstet werden oder eine Hybridverbindung haben, ein größeres System bilden.
16 zeigt ein Beispiel für einen Routing-Pfad innerhalb der Erdumlaufbahn von einem Satelliten, der auf ein GEO-Terminal zugreift und es über MEO- (Galileo x-gen), GEO- (EDRS/TDRS) und LEO-Satelliten (Starlink, OneWeb) an einen OGS auf der anderen Seite der Erde sendet. 17 zeigt eine Verbindung zwischen der Erde, Moonlight, einem kommerziellen Relais im Erde-Mond-Librationspunkt EML-4, und einer Mondbasis auf der anderen Seite des Mondes. Sie fügt dem Routing weitere relativistische Effekte hinzu, aber die gleichen AUTOTDS-Funktionen sind erforderlich. Es bietet nicht nur eine dauerhafte Infrastruktur für andere Mondmissionen im Rahmen des ARTEMIS-Programms der NASA und darüber hinaus, sondern bereitet auch die Laserkommunikation über interplanetare Entfernungen vor.
Das Netzwerk kann jedem Benutzer einen Zugriff erlauben. Das System kann einem Vertrauens-Sicherheitsmodell folgen, bei dem ein Benutzer verifiziert („Null-Vertrauen“) und der Zugang zum Kommunikationsnetzdienst auf der Ebene des Vertrauens gewährt werden kann. Im Folgenden wird beschrieben, wie AUTO-TDS dazu beitragen kann, dass ein solches Netz diese Schutzebene hinzufügen kann. In den folgenden Unterabschnitten wird die Bedeutung der verschiedenen geteilten Geheimnisse erläutert. In der Kryptografie sind dies Daten, die nur den beteiligten Parteien einer sicheren Kommunikation bekannt sind. In der Regel handelt es sich dabei um den Schlüssel eines symmetrischen Kryptosystems. Das gemeinsam genutzte Geheimnis kann ein Kennwort, eine Passphrase, eine große Zahl oder eine Reihe von zufällig ausgewählten Bytes sein. Auch andere Informationen, die zuvor vertraulich ausgetauscht wurden, können als Haupt- oder anderer Faktor der Authentifizierung verwendet werden.
AUTO-TDS kann mehrere Identifizierungsschichten bieten, die zum Aufbau eines Vertrauensniveaus für die Authentifizierung des Anrufers verwendet werden können. Die grundlegende Ebene können Datenbanken (LUT) für Knoten sein, die bekannt sind. Dies können Bodenstandorte für OGS' und die Orbitalparameter als Two-Line Sets (TLE) für Satelliten sein. Wenn AUTO-TDS Licht auf dem Detektor aus der Richtung dieser Standorte in der Datenbank empfängt, erhöht sich der Vertrauensgrad.
Wenn das Laserlicht auf der Grundlage von CCSDS 141 aus dem vorigen Abschnitt moduliert ist, kann die Verbindung selbst andere Metadaten senden, die ein weiterer Faktor für die Identifizierung und Authentifizierung des ankommenden Anrufs sein können. Dabei kann es sich um die ID, den Standort und/oder ein Sicherheitsmerkmal (ein Passwort, einen Hashcode usw.) handeln. Mit der ID und dem Standort kann die zuvor erwähnte Datenbank für den Abgleich verwendet werden. Mit dem geheimen Token muss ein weiterer Abgleich mit einer bordeigenen Datenbank durchgeführt werden.
Für alle diese Methoden müssen die entsprechenden Abgleichsdaten aktualisiert werden. Und diese Aktualisierungen müssen von einer anderen vertrauenswürdigen Instanz durchgeführt werden.
Als Nebeneffekte sind zwei Aspekte von Bedeutung. Erstens wird eine passive Freund-Feind-Erkennung möglich. Die unterschiedlichen Eingaben (Sensor-Rohdaten sowie empfangene digitale Daten) lassen Rückschlüsse auf die Intention des anrufenden Nutzers zu. Zum anderen wird das eigene Verhalten als Kommunikationssatellit bzw. als in Frage kommender Anrufer wichtig. Der Satellit gibt sich zu erkennen, wenn er aktiv einen Laser in Richtung eines Anrufers sendet. So wird seine Position in der Umlaufbahn und die Art der Kommunikationsnutzlast offenbart. Von da an ist der Satellit ein offener Angriffsvektor für Schwachstellen wie DDOS-Angriffe. Wenn das Laserlicht des Satelliten am Boden empfangen wird, bedeutet dies umgekehrt, dass er in unmittelbarer Nähe ausgelöst wurde und ein Anrufer in der Nähe sein muss. In beiden Fällen werden Vermögenswerte aufgedeckt.
Nach erfolgreicher Verifizierung des Anrufers kann das Netzwerksystem die Autorisierung für die Nutzung bestimmter Dienste und die Gewährung des Zugangs erteilen. Ein solches System ist nicht immun gegen PITM-Angriffe (Erlangung echter Zugangsdaten, z. B. aus dem unverschlüsselten OOK-Signal) oder das Ausnutzen des Systemverhaltens, um sich als ein anderer Anrufer auszugeben, indem man denselben geografischen Standort verwendet. Daher bietet AUTO-TDS eine Vielzahl von verschiedenen Beweisen, mit denen sich der Anrufer identifizieren kann oder identifiziert werden kann. Der Grad des Vertrauens beeinflusst die weitere Autorisierung.
Die Autorisierung sollte auf mehreren verschiedenen Geheimnissen beruhen und AUTO-TDS ermöglicht diese Art der Verifizierung, bevor die eigentliche Verbindung gestartet wird.
Je nach Bitrate und Wiederholungstakt kann die Übertragung weiterer Daten zur Verbesserung der Dienste sinnvoll sein. Jeder der folgenden Parameter wird für seinen Anwendungsfall beschrieben. Es wird vorgeschlagen, sie auf flexible Weise zu übertragen, so dass weitere hinzugefügt werden können.
OGS-Wetterstatus: Dies kann eine Zahl sein, die angibt, wie wahrscheinlich es ist, dass die Verfügbarkeit gegeben sein wird. Falls sich das Wetter ändern sollte, kann das LCT zu einem anderen OGS-Ziel mit besseren Bedingungen gelenkt werden. Die OGS liefert auf diese Weise eine Information, die der Satellit selbst nicht wahrnehmen kann.
Anruferzähler zum Ende des Gesprächs: Dies kann für jeden Anrufer sein, der AUTO-TDS mitteilt, wie lange er noch in der Warteschleife bleiben wird, bevor er abbricht. Auf diese Weise kann eine bessere Partnerverbindung für die Planung und dann für die Verbindung mit dem Haupt-LCT verwendet werden.
Die Sendeleistung des Anrufers: Wenn diese übertragen wird, kann AUTO-TDS die empfangene Leistung messen und mit der Sendeleistung am Boden vergleichen. Dies ist in mehrfacher Hinsicht hilfreich, z. B. bei der Messung der Qualität von Verbindungen, der Atmosphäre dazwischen, wenn sich der Anrufer bewegt oder einfach zur Kalibrierung des Systems.
Diese Beispiele für zusätzliche Metadaten zeigen, dass die Übertragung von zusätzlichen Daten für den Betrieb eines Laserkommunikationsnetzes im Weltraum nützlich sein kann.
Mit der Erfindung können mehrere OCTs verfolgt werden, um Funktionen wie Wakeon-Light zu ermöglichen und sich weiter in Richtung eines autonomen Verbindungsaufbaus zu bewegen. Mit AUTO-TDS ist eine Laserkommunikation auf Abruf und sind vollständige Self-Routing-Netzwerke möglich. Zusätzlich kann AUTO-TDS Identifikations- und Authentifizierungsfunktionen bereitstellen, um Vertrauen zu schaffen, bevor neue Knoten zu einem Netzwerk hinzugefügt werden und Daten ausgetauscht werden.
AUTO-TDS erhöht die Effizienz beim Daten-Routing und der Bandbreite. AUTO-TDS ist für verschiedene Standards (Beacon/Beaconless-Signale, Laser-Wellenlängen) geeignet. Und es ist ein flexibles System, da es durch Hardware und Software an zukünftige Bedürfnisse angepasst werden kann. AUTO-TDS kann für GEO-Satelliten aber auch für andere OCTs in niedrigeren Umlaufbahnen sowie für den Betrieb am Boden angepasst werden, um die Leistung des Netzes noch weiter zu verbessern.
18 zeigt einen Aufbau eines um zwei separate Modulationssignale erweiterten Laserkommunikationskanals. Das Anwendungsbeispiel beinhalten einen AUTO-TDS Sensor, der sich z.B. an Board eines Satelliten befindet, und ein Remote Terminal z.B. auf der Erdoberfläche, welches einen Laserkommunikationskanal mit den Satelliten aufbauen möchte. Der Laserkommunikationskanal des Remote Terminals ist um zwei separate Modulationssignale erweitert. Diese Modulationssignale werden nacheinander und zyklisch mit einem gewissen Abstand durch das Remote Terminal übertragen.
AUTO-TDS verarbeitet diese erweiterten Informationen und baut erst einen Rückkanal auf, wenn sowohl die ID des Remote Terminals als auch deren Trustworthiness erfolgreich demoduliert und geprüft worden ist.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.

Claims

Verfahren zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer, wobei Daten und/oder Informationen auf einen Lichtstrahl aufmoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbauen einer Verbindung der erste Teilnehmer und/oder der wenigstens eine weitere Teilnehmer identifiziert werden/wird und eine festgestellte Identität des ersten Teilnehmers und/oder des wenigstens einen weiteren Teilnehmers verifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Identifizieren ein Identifikations-Code verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verifizieren der festgestellten Identität ein kryptographisches System verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierung und Verifizierung in unidirektionaler Kommunikation und/oder in einem Simplexbetrieb erfolgen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung und Verifizierung senderseitig eine Identifikationsinformation und eine Verifikationsinformation auf den Lichtstrahl aufmoduliert und empfängerseitig die Identifikationsinformation und die Verifikationsinformation durch Demodulation zurückgewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikationsinformation und die Verifikationsinformation abwechselnd und/oder periodisch wiederholt übertragen werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilnehmer und/oder der wenigstens eine weitere Teilnehmer nach erfolgreicher Identifizierung und Verifizierung autorisiert werden/wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung mehrschichtig erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung, Verifizierung und/oder Autorisierung ein Vertrauens-Modell etabliert und/oder verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgreicher Verifizierung und/oder nach einer Autorisierung eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht und/oder eine aufgebaute Verbindung in einem Duplexbetrieb genutzt wird.
Vorrichtung zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine informationstechnische Kontrolleinrichtung aufweist und zum Ausführen eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
Computerprogramm zur optischen Freiraumkommunikation zwischen einem ersten Teilnehmer und wenigstens einem weiteren Teilnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Programmcodeabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführbar ist, wenn das Computerprogramm auf einer Kontrolleinrichtung einer Vorrichtung nach Anspruch 11 ausgeführt wird.