Die optische Kommunikation im freien Weltraum zwischen der Erde und einem Satelliten erfordert eine spezielle Lasertechnik. Der Grund dafür ist, dass optische Signale, die zwischen der Erde und dem Weltraum übertragen werden, von verschiedenen Quellen wie Wolken oder anderen Wetterphänomenen gestört werden können.

Bild: iStock, filo

Case Study: Laserabstimmung für effiziente Satelliten-Datenübertragungen Hochpräzise Laser-Kommunikation gesucht

28.04.2022

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) nutzt die Präzision von optischen Wellenlängenmessgeräten, um die genaue Abstimmung von Lasern für die Kommunikation zwischen Erde und Weltraum zu gewährleisten. Dabei gibt es einige Herausforderungen zu bewältigen.

Die ESA betreibt ein Netz von geostationären Satelliten, das so genannte European Data Relay System (EDRS). Diese Satelliten kommunizieren mit einer Konstellation europäischer LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) namens Sentinels, die für Anwendungen zur Erdbeobachtung eingesetzt werden. Die EDRS-Satelliten nutzen Funkverbindungen, um Bilder und andere Daten von den LEO-Satelliten auf terrestrische Server zu übertragen.

Die Herausforderung besteht darin, dass die wachsende Menge an Informationen von LEO- und geostationären Satelliten sowie von Satellitenkonstellationen dazu führen wird, dass die verfügbare Bandbreite von Funkverbindungen bald zu gering sein wird, um den Datenübertragungsbedarf der ESA zu decken.

Optische, laserbasierte Kommunikation ist die offensichtliche Antwort, eine Technik, die bereits für die Datenübertragung zwischen den LEO-Satelliten und dem EDRS-Netz genutzt wird. Die optische Kommunikation ist auf der Erde eine bewährte Technologie und bildet das Rückgrat des Internets. Die optische Kommunikation im freien Weltraum zwischen der Erde und einem Satelliten erfordert jedoch eine spezielle Lasertechnik.

Der Grund dafür ist, dass optische Signale, die zwischen der Erde und dem Weltraum übertragen werden, von verschiedenen Quellen wie Wolken oder anderen Wetterphänomenen gestört werden können. Außerdem können optische Signale im freien Raum nicht durch das physikalische Medium, durch das sie übertragen werden, wie zum Beispiel eine Glasfaser auf der Erde, gegen externe optische Störquellen abgeschirmt werden.

Anforderungen an optische Systeme

Optische Kommunikationssysteme müssen ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen, um die Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufrechtzuerhalten. Im EDRS-System der ESA werden die Signale mit einer sehr genau spezifizierten Infrarot-Wellenlänge von 1.064,625 nm ±11 pm übertragen, wobei die Spitzenwellenlänge fast keine Abweichungen aufweist. Dies ermöglicht es dem Empfänger, sich auf das übertragene Schmalbandsignal einzustellen und Störsignale zu eliminieren. Mit dieser Technologie kann der EDRS-Satellit auch dann präzise arbeiten, wenn sich die Sonne in seiner Sichtlinie befindet.

Die ESA setzt die Technologie der optischen Erde-zu-Satelliten-Kommunikation in ihrer optischen Bodenstation (OGS) auf der spanischen Insel Teneriffa und im 2,2-Meter-Teleskop Aristarchos im Chelmos-Observatorium auf dem Peloponnes in Griechenland ein. Die Beibehaltung der exakten Wellenlänge des Senders ist ein entscheidender Teil des Betriebs des Aristarchos-Systems. Dies wird durch eine Technik erreicht, bei der der Senderlaser von einer 808-nm-Laserdiode gepumpt wird, um eine genaue Ausgangsleistung von 1.064,625 nm ±11 pm zu erzeugen. Diese Wellenlänge wird durch die Anpassung der Betriebstemperatur des Senderlasers genau gesteuert.

Die Messung optischer Kommunikationssysteme erfolgt in der Regel mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA), einem hochpräzisen und zuverlässigen Instrument, das neben anderen Kriterien auch die optische Wellenlänge analysiert. OSAs wie der AQ6370D von Yokogawa erreichen eine Wellenlängenmessgenauigkeit von ±10 pm bei einer Referenzwellenlänge von 1.550 nm und ±100 pm bei 1.064,625 nm. Das ist zwar sehr genau, aber immer noch nicht genau genug, um die Anforderungen der Aristarchos-Anlage zu erfüllen.

Zoran Sodnik ist Leiter der optischen Kommunikationstechnologie im Direktorat für Telekommunikation und integrierte Anwendungen der ESA. Er ist verantwortlich für das optische Kommunikationssystem, das mit dem Aristarchos-Teleskop installiert wurde. Der EDRS arbeitet mit Frequenzen, die in Vielfachen von Terahertz gemessen werden, und die Wellenlängen von Sender und Empfänger liegen nicht mehr als 28 Gigahertz auseinander. Das bedeutet in der Praxis, dass die Frequenz des Lasers mit Gigahertz-Präzision eingestellt und dann mit demselben Maß an hoher Präzision und Genauigkeit gemessen werden muss.

Hochgenaue Messtechnik

In Zusammenarbeit mit Simac Electronics, einem niederländischen Anbieter von Verbindungs- und Messtechnik, wählte die ESA ein spezielles optisches Wellenlängenmessgerät, das AQ6151B von Yokogawa. Das Gerät verwendet ein Michelson-Interferometer, das die Wellenlänge sehr genau messen kann. Beim AQ6151B, dem hochgenauen Modell der AQ6150-Serie, liegt die Genauigkeit bei ±0,2 ppm. Das Gerät ist in drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erhältlich, wobei die Aristarchos-Installation die Wide Range-Version verwendet, die Wellenlängen von 900 nm bis 1.700 nm abdeckt.

Die AQ6150-Serie bietet eine hohe Geschwindigkeit, da sie eine Messung innerhalb von 0,2 Sekunden erfassen, analysieren und an einen PC übertragen kann. Neben der hohen Genauigkeit bietet die AQ6150-Serie die gleichzeitige Messung von bis zu 1.024 Wellenlängen und verarbeitet Eingangssignalleistungen von bis zu -40 dBm. Das AQ6151B verfügt außerdem über integrierte Analysefunktionen und erfordert keine Programmierung, wodurch es einfach zu bedienen ist.

Sodnik war zuversichtlich, dass der Einsatz des optischen Wellenlängenmessers von Yokogawa die von der ESA gewünschten Ergebnisse liefern würde: Die ESA hat Instrumente des Unternehmens bereits in der Vergangenheit ausgiebig genutzt und sie stets als äußerst genau und zuverlässig empfunden. Die jüngste Installation im Chelmos-Observatorium erforderte eine extrem hohe Genauigkeit. Ich habe ohne zu zögern ein Yokogawa-Produkt ausgewählt - es hat meine gestellten Erwartungen voll erfüllt.

Durch den praxisnahen Einsatz des hochpräzisen AQ6151B zur Abstimmung von Lasern erwartet die ESA, dass die optische Übertragung die Last der Abwicklung von Datenverkehr mit hoher Bandbreite übernehmen und die Funkkommunikation als primäres Mittel zum Senden und Empfangen von Daten von Satelliten ablösen könnte.

Bildergalerie

  • Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) nutzt nicht nur für ihre Forschung die Präzision des optischen Wellenlängenmessers AQ6150B für eine zuverlässige Satelliten-Kommunikation.

    Bild: Yokogawa

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel