DLR: PIXL-1 mit kleins­tem La­ser­ter­mi­nal im Orbit

Pio­nier­start: Klein­sa­tel­lit PIXL-1 mit kleins­tem La­ser­ter­mi­nal der Welt im Or­bit. Gemeinsame Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Tesat-Spacecom (TESAT).

Quelle: DLR.

CubeSat mit Laserterminal
(Bild: DLR (CC-BY 3.0))

Der Kleinsatellit PIXL-1 ist am 24. Januar 2021 um 16:00 Uhr MESZ vom US-Weltraumbahnhof Cape Canaveral erfolgreich mit einer Falcon-9-Trägerrakete der US-Firma SpaceX in die Erdumlaufbahn gestartet. An Bord des Satelliten ist das kleinste Laser-Sendeterminal der Welt: “OSIRIS4CubeSat” ermöglicht eine bis zu hundertmal schnellere Datenübertragung als herkömmliche Funkverbindungen und wurde von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in enger Zusammenarbeit mit dem deutschen Telekommunikationsunternehmen TESAT mit Sitz in Backnang bei Stuttgart entwickelt. Es liefert eine wichtige Plattform, um wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen. Das Laserterminal ist für die Serienfertigung konzipiert und wird von TESAT unter dem Namen “CubeLCT” vermarktet. Am Wirtschaftsstandort Deutschland entstehen so neue Wertschöpfungsketten.

Laserterminal OSIRIS5CubeSat
(Bild: DLR (CC-BY 3.0))

Die Datenübertragung per Laser kann als “drahtlose Glasfaserverbindung” gesehen werden und ermöglicht damit in Zukunft einen viel effizienteren Datentransport über Satelliten – sie eröffnet vielfältige Anwendungen in der Kommunikation. Zudem eröffnet sie auch neue Optionen für die Satellitennavigation und Quantenkryptographie. Die Projektpartner wollen in der Satellitenmission nun demonstrieren, dass die optische Kommunikation vom Weltraum zum Boden selbst auf kleinsten Satelliten realisierbar ist. Für den Betrieb des Satelliten ist das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen verantwortlich.

“Mit OSIRIS4CubeSat haben wir eine Basis entwickelt, die vielen Missionen in Zukunft neue Möglichkeiten in der Datenrate bieten wird und uns am DLR eine ideale Grundlage für wissenschaftliche Messungen sowie nächste technologische Schritte in wissenschaftlichen Projekten bietet”, sagt Projektleiter Christopher Schmidt vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation.

Flugmodell des Laserterminals OSIRIS4CubeSat
(Bild: DLR (CC-BY 3.0))

Entscheidender Schritt nach vorne
Bisher waren Laserterminals zu groß, um sie auf kleinen Satellitenplattformen – wie CubeSats – einzusetzen und wiesen zudem einen zu hohen Leistungsbedarf auf. Der Launch von PIXL-1 eröffnet somit neue Horizonte in der Satellitenkommunikation und erweitert die Missionsmöglichkeiten für Kleinstsatelliten. OSIRIS4CubeSat sowie das Produkt CubeLCT passen mit ihren Abmessungen von 10 x 10 x 3 Zentimetern perfekt auf kleinste Satelliten, können aber auch an größere Plattformen angepasst werden. Optimiert sind die Systeme für Missionsdauern von fünf Jahren in niedrigen Erdorbits. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat hierzu seine Ergebnisse und Erfahrungen aus rund 15 Jahren Forschung eingebracht. Der Technologiesprung gelingt durch eine starke Miniaturisierung der Technologie – Optik, Mechanik und Elektronik wurden dazu eng verzahnt.

CubeSat im Test
(Bild: GomSpace)

“Die Funktionalität und Miniaturisierung, die wir mit CubeLCT erreicht haben, befördert die Kleinstsatelliten in eine neue Fähigkeitsklasse und erlaubt uns, Konstellationen anspruchsvollere Aufgaben zuzuweisen”, sagt Prof. Christoph Günther, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation.

In der Mission PIXL-1 sollen zahlreiche wissenschaftliche Ziele untersucht werden. Neben einer grundlegenden Demonstration der Technologie soll auch der Übertragungskanal genauer erforscht werden, um Fehlersicherungsmechanismen optimieren zu können. Diese Erkenntnisse sind eine wichtige Grundlage für die internationale Standardisierung der Technologie sowie einer weiteren Steigerung der Datenraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde in zukünftigen Missionen. Dies ist besonders in der Erdbeobachtung gefragt, die immer größere Datenmengen übertragen muss.

CubeSat wird in Dispenser eingeführt
(Bild: GomSpace)

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Neben einzelnen Kleinsatelliten lassen sich diese auch in Megakonstellationen einsetzen. Dort arbeitet eine größere Zahl an Satelliten in einer Mission zusammen, zum Beispiel bei der weltweiten Verteilung einer Breitband-Internetanbindung. In den nächsten Entwicklungsschritten soll die optische Kommunikation so weiterentwickelt werden, dass auch optische Verbindungen zwischen Kleinsatelliten im Weltall möglich werden.

Eine Besonderheit der optischen Kommunikation ist außerdem, dass sie zur Verteilung von Quantenschlüsseln genutzt werden kann. Mithilfe dieser Technologie kann jede Form der digitalen Kommunikation abhörsicher gemacht werden. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation ist führend in diesem Forschungsbereich und wird die neue Technologieplattform im All nutzen, um die Quantenschlüsselverteilung zwischen Sender und Empfänger weiterzuentwickeln.

Optische Bodenstation in Oberpfaffenhofen
(Bild: DLR (CC-BY 3.0))

Empfangsstationen: Aufbau eines Netzwerks
Eine große Herausforderung bei der laserbasierten Kommunikation sind Wettereinflüsse, da mit dem Laser nicht durch Wolken übertragen werden kann. Zur Überwindung dieser Einschränkung soll ein weltweites Netz an optischen Bodenstationen aufgebaut werden, die größtenteils an bewölkungsarmen Standorten entstehen sollen. Mit der Vorreitermission PIXL-1 unterstützt das DLR diesen Ansatz und wird in den kommenden Monaten Standorte testen und das Empfangsnetzwerk weiter ausbauen. Die ersten beiden Bodenstationen des Netzwerks werden derzeit vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) und einem Industriepartner an zwei europäischen Standorten aufgebaut.

Zur Steuerung des Kleinsatellit PIXL-1 werden zwei unterschiedliche Frequenzbänder zur Kommunikation verwendet. Zu Beginn läuft die Kommunikation im Bereich der Ultrakurzwelle, wofür eine neue Antenne des GSOC in Betrieb genommen wurde. Während der eigentlichen Mission arbeitet der Satellit im S-Band, sodass das Kontrollzentrum dann seine üblichen Bodenstationen nutzen und den Satellit möglichst reibungslos in die Standardprozesse einbinden kann. Von Oberpfaffenhofen aus steuert das GSOC den Satelliten im Regelbetrieb, konditioniert das Laserterminal und sorgt dafür, dass die Daten bei den Kollegen vom Institut für Kommunikation und Navigation ankommen.

transportable optische Bodenstation
(Bild: DLR (CC-BY 3.0))

Industriekooperation mit TESAT
DLR und TESAT verbindet bereits seit 2016 eine sehr enge und erfolgreiche Kooperation. Das Institut für Kommunikation und Navigation entwickelt im Programm OSIRIS (Optical Space Infrared Downlink System) miniaturisierte Laser-Sendeterminals mit einer kompakten Bauform, die für direkte optische Downlinks vom Satellit zur Erde eingesetzt werden. Bei der Entwicklung war TESAT als Auftraggeber von Beginn an beteiligt. Das Unternehmen aus Backnang gilt im Bereich der optischen Satellitenkommunikation als weltweit führend und plant den Markt für Kleinsatelliten in diesem Kontext auszubauen. Mit dem Launch von PIXL-1 wird die Technologie nun entscheidend vorangetrieben. Der Industriepartner wird nach Abschluss der Entwicklungsphase die Serienproduktion des kompakten Satelliten-Laserterminals starten.

“Wir als TESAT haben eine klare Vision, mit unseren Produkten Grenzen zu überwinden und Menschen zu verbinden. Mit dem Start von PIXL-1 sind wir dieser Mission einen gehörigen Schritt nähergekommen. Und das CubeLCT ist das Ergebnis einer sehr erfolgreichen Kooperation zwischen dem DLR-Institut für Kommunikation und Navigation und der TESAT”, so Dr. Marc Steckling, CEO von Tesat-Spacecom.

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