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Superschnell, superscharf: Datentransfer per Satellit

Gesellschaftlicher und technischer Fortschritt ist heute digital. Die Datenmengen wachsen, die Übertragungsgeschwindigkeiten müssen deshalb laufend steigen. Weltweit und auch darüber hinaus.

Kommunikationssatelliten liefern uns an jedem Ort der Welt Zugriff auf immer schnelleres Internet mit extrem hohen Datenraten. Für Kommunikation, Industrie 4.0, Big Data und die Mobilität der Zukunft auf der Erde. Doch auch meteorologische Stationen, Behörden und der Katastrophenschutz sind auf Wetter-, Klima- und Erdbeobachtungsdaten aus dem All angewiesen. Mit innovativer Laser-Satellitentechnik werden diese Datenmengen noch besser übertragbar – heute mit Datenraten von 1,8 bis 10 Gbit/s, in Zukunft im Terabit-Bereich.

Die Lösung: Licht- statt Radiowellen –
rasante Datenübertragung via Laser

Bislang werden Daten „klassisch“ per Funkwellen zur Erde übertragen. Doch die Funkfrequenzen sind begrenzt und die bestehenden Kapazitäten müssen verteilt werden. Bei dem wachsenden Datenverkehr wird diese Bandbreitengrenze bald erreicht sein. Die Lösung: die Übertragung mit Lichtwellen. Was auf der Erde mit Licht im Glasfaserkabel funktioniert, klappt auch per Laserlicht zwischen Satellit und zum Beispiel Bodenstation. Deutschland ist in dieser Technologie führend. Die Laser-Revolution aus Deutschland von der Firma Tesat ist seit 2002 im Einsatz, zuerst als Kommunikationstechnik zwischen den Satelliten TerraSAR-X und NFIRE. Erstmals wurde eine 5,6 Gbit/s Zweiwegekommunikation zwischen Satelliten möglich – und das zwischen zwei Satelliten, die a) jeweils 25.000 km/h schnell fliegen und b) auch noch auf unterschiedlichen Bahnen unterwegs sind. EDRS, Europas Datenautobahn im All, nutzt deshalb die Lasertechnik: Laser-Terminals auf Kommunikationssatelliten dienen als Relaisstationen für Forschungssatelliten, die ihrerseits auch jeweils ein Laser-Terminal zur Datenübertragung an Bord haben.

Megakonstellationen ermöglichen
Internet aus dem All – überall

Internet an jedem Ort der Welt, ohne Kabel, ohne Handynetz? Megakonstellationen aus Kommunikationssatelliten sind die Zukunft.

Internet per Satellit gibt es entweder über einige wenige Kommunikationssatelliten in einem hohen Orbit von circa 36.000 Kilometern (GEO), mit Konstellationen von bis zu 50 Satelliten in einem mittleren Orbit von circa 8.000 Kilometern (MEO) wie O3b mPower von SES – oder mit den kommenden Megakonstellationen aus jeweils bis zu tausenden Kleinsatelliten in niedrigem Orbit von circa 550 Kilometern (LEO). Solche Megakonstellationen wie Starlink von SpaceX haben den Vorteil, dass der Datenempfang einfacher ist, weil die Satelliten näher an der Erde sind. Ebenso ist die Datenrate hoch: Starlink verspricht 1 Gbit/s. Allein für die Abdeckung von Nordamerika sind schon circa 500 Satelliten nötig. Damit die Satelliten – und damit die Nutzenden – solcher Megakonstellationen Informationen mit einer hohen Datenrate miteinander austauschen können, sollen die Satelliten untereinander per Laser kommunizieren. Viele weitere Megakonstellationen sind in Planung: von Telesat, von Amazon oder von Hongyan.

Laserkommunikation für Quantenkryptografie

Laserkommunikation kann noch mehr. Wenn Kommunikation sicher sein soll, muss sie verschlüsselt werden. Aber wie kann man diese Schlüssel sicher erstellen und verteilen? Mit Quanten-Technologien und Satelliten. Quanten-Schlüssel (QKD) bestehen in der Regel aus polarisierten Lichtteilchen. Bei einem „Abhörversuch“ muss man sich in die Übertragung einklinken, aber dabei ändern sich die physikalischen Eigenschaften der Teilchen.
Der Abhörversuch fällt immer auf – und der Schlüssel zerstört sich. Das macht die Übertragung so sicher. Zur Übertragung der Schlüssel muss allerdings zwischen Sender und Empfänger Licht ausgetauscht werden. Über Glasfaserkabel ist die Reichweite aktuell auf circa 150 Kilometer eingeschränkt. Über Quanten-Schlüssel-Satelliten mit Laser nicht. Daran wird gerade gearbeitet: Es gibt beispielsweise die Initiative der Bundesregierung QuNET – ein Partner ist das DLR – und für das Satelliten-Segment das ESA-Projekt SAGA.

1,8 Gbit/s von Satellit zu Satellit –
und zur Erde

Seit 2013 umrundet der Kommunikationssatellit Alphasat I-XL im geostationären Orbit die Erde. Er ist mit 6 Tonnen Gewicht und einer Spannweite der Solarpanels von 40 Metern der bislang größte europäische Kommunikationssatellit. Revolutionär: Auf Alphasat ist ein Laser Communication Terminal der Firma Tesat aus Backnang, Deutschland, installiert. Es ermöglicht Datenraten von bis zu 1,8 Gbit/s. Über diese schnelle Datenverbindung fungiert es als Relais-Station: Schnell fliegende Erdbeobachtungssatelliten der Sentinel-Familie auf rund 700 Kilometer Flughöhe senden ihre gewaltigen Datenmengen per Laser an Alphasat auf 36.000 Kilometer „nach oben“ – und von dort werden die Daten per Funk im Ka-Band mit bis zu 600 Mbit/s weitergeleitet. Für das Senden der Daten wird Funk genutzt, da Funkwellen durch die Erdatmosphäre weniger gestört werden als Laserstrahlen. Empfangen werden die Daten vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen. Die entsprechende Antenne hat einen Durchmesser von 7,3 Metern. Der Testlauf beweist: Die Technik funktioniert wie geplant. Das macht den Weg frei für das europäische Laser-Satelliten-Datenrelais-System EDRS.

Die Alphasat-Plattform wurde im Rahmen eines ESA-ARTES-Programms entwickelt und wird durch die Firma Inmarsat Ltd. aus London betrieben.

EDRS, die Datenautobahn im Orbit

Das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus umfasst sechs Missionen und startete 2014, die meisten Missionen sind eigene Sentinel-Satelliten. Jede der Missionen wird kontinuierlich Daten liefern, und zwar voraussichtlich rund sechs Terabyte pro Tag. Das wären über 555 Mbit/s in einem 24-Stunden-Dauerbetrieb.

Nutzt man zum Empfang der Sensordaten der im niedrigen Orbit fliegenden Erdbeobachtungssatelliten eine Bodenstation, hat man nur etwa 10 Minuten Zeit für den Datenempfang – bei 700 Kilometern Flughöhe und 28.000 Stundenkilometern Geschwindigkeit ist so ein Satellit einfach nicht lange in Sichtweite einer Bodenstation. Wenn innerhalb dieses Überfluges nicht alle Sensordaten zum Boden gesendet werden können, müssen die Daten an Bord des Satelliten gespeichert bleiben und werden dann erst beim nächsten Überflug der Bodenstation zum Boden gesendet. Die Wartezeit kann hier 90 Minuten und mehr betragen. Sollen aber Einsatzkräfte von Hilfsorganisationen mit Bildern von einem Erdbeben oder einer Flutkatastrophe versorgt werden, ist das nicht akzeptabel.

Abhilfe schafft das Satelliten-Relais-Netzwerk EDRS (Europäisches Datenrelaissystem), das auf Laser-Kommunikation basiert. Ein Rund-um-die-Uhr-Empfang der Bilder von Erdbeobachtungssatelliten ist jetzt Realität. Diese Datenautobahn im Weltall, ein „SpaceDataHighway“, empfängt die Daten der niedrig fliegenden Satelliten in Highspeed per Laser und leitet diese per Funk im Ka-Band (26–40 Gigahertz) an die jeweilige Bodenstation weiter.

Mit Hilfe dieser Technologie können Erdbeobachtungssatelliten ihre Daten ohne Unterbrechung an Relais-Satelliten in einem geostationären Orbit senden – und erst von dort geht es zur Bodenstation. Dies ist besonders für zeitkritische Anwendungen, wie zum Beispiel nach Naturkatastrophen, wichtig.

EDRS wurde von der ESA und von Airbus gemeinsam entwickelt. Operationell betrieben wird es von Airbus in Ottobrunn. Seit November 2016 ist EDRS im Betrieb, mit EDRS-A als „Untermieter“ auf dem Satelliten Eutelsat 9B. Nummer zwei, EDRS-C, startete im Juli 2019 in den geostationären Orbit. Verwendet werden die Daten zurzeit von den Sentinel-Satelliten der Serie 1 und 2. Mit dem Start von zwei weiteren über dem Atlantik und dem Pazifik positionierten geostationären Satelliten, die per Laser miteinander verbunden werden, könnte ein Datenrelais-System entstehen, das weltweit Daten von Erdbeobachtungssatelliten in Echtzeit für die Nutzenden zur Verfügung stellt.

An Bord: Technik aus Backnang

Die 1,8-Gbit/s-Laser-Kommunikationsterminals (LCT) an Bord der Satelliten kommen von der Firma Tesat-Spacecom aus Backnang. Die Datenrate ist über die Entfernung von 45.000 Kilometern stabil, das ist die Distanz von Erdbeobachtungssatellit zu Relaissatellit im geostationären Orbit. Über geringere Entfernungen sind 10 Gbit/s möglich – wie von der Erde zur ISS. Gerade für kleinere Satelliten interessant: eine miniaturisierte Version, die nur noch 300 Gramm wiegt.

Um den Laserstrahl zu fokussieren, genügt ein Teleskop mit nur 13 Zentimeter Durchmesser – auf 42.000 Kilometern ist das Licht so stark gebündelt, dass es nur in einem Umkreis von wenigen hundert Metern empfangbar ist. Das hat den Vorteil, dass schon eine geringe Sendeleistung ausreicht. Auch unbefugtes „Mithören“ wird deutlich erschwert. Ebenso ist der Empfang von Laser-Datenübertragungen auf der Erde möglich: Mit der Transportablen Optischen Adaptiven Optik Ground Station (TAOGS) von Tesat. Mit Alphasat wurde das erfolgreich getestet. Der Nutzen: Eine Forschungseinrichtung auf der Erde – beispielsweise eine Antarktisstation – kann per Laser Daten an einen Relais-Satelliten senden, von wo die Daten dann wieder zum Beispiel in Echtzeit zu einer Hochschule gehen, damit diese dort ausgewertet werden können.

Und wie schnell geht Internet
auf dem Mond?

Raumsonden produzieren gewaltige Datenmengen. Bislang basiert die Kommunikation mit Sonden wie zum Beispiel Rosetta – 2004 gestartet und 2014 beim Kometen angekommen – auf Funkübertragung. Die Übertragungsrate: 0,2 Mbit/s. Das ist zwar sehr langsam, funktioniert dafür aber auch über eine Distanz von 455 Millionen Kilometern. An einen Videostream ist allerdings nicht zu denken.

Laser funktioniert nämlich auch bei wirklich weiten Entfernungen. Bis zum Mond – also über fast 400.000 Kilometer – auf alle Fälle. Der NASA gelang 2013 eine Datenübertragung mit 622 Mbit/s. Damit könnte man schon deutlich bessere Live-Videobilder senden als die von der ersten Mondlandung. Für die Zukunft wird sogar über Laserverbindungen zum Mars nachgedacht.

Eine kurze Geschichte der Kommunikationssatelliten

1858 braucht eine Nachricht aus den Vereinigten Staaten per Schiff zehn Tage bis ins Vereinigte Königreich. Zwar ist die Telegrafie schon erfunden, doch erst in diesem Jahr kann ein transatlantisches Unterseekabel verlegt werden. Nun lässt sich eine Nachricht in Minuten übermitteln. Nach drei Wochen ist das Kabel allerdings wieder kaputt und erst ab 1865 wird die Telegrafie per Unterseekabel zuverlässiger.

Der Verlauf der ersten Transatlantik-Kabel
© Wikipedia

1956 wird das Telefonieren zwischen Europa und Amerika einfacher. Das Unterseekabel TAT-1 ermöglicht nun 36 Telefongespräche zugleich (darunter auch die Direktverbindung per Fernschreiber zwischen den Staatschefs in Washington und Moskau). Zum Vergleich: Aktuell ermöglichen die Nachfolger-Kabel TAT-14 Datenraten von 3,2 Tbit/s, GTT Express gar 53 Tbit/s.

Aber wie können bewegte Bilder von Kontinent zu Kontinent übertragen werden – und das auch noch live? Bis 1962 lautet die Antwort: gar nicht. Der schnellste Weg der „Übertragung“ ist es, eine Filmrolle ins Flugzeug zu verladen.

Mit dem 77 Kilogramm leichten US-Fernseh- und Telefon-Satelliten Telstar 1 ändert sich das grundlegend. Erstmals sind 1962 Live-Bilder aus den USA in Europa und umgekehrt zu sehen. Empfangen und gesendet werden sie von riesigen Bodenstationen mit 340 Tonnen schweren Antennen. Die erste Fernsehsendung via Satellit erreicht in Europa 200 Millionen Zuschauerinnen und Zuschauer.

Weil allerdings der Satellit keine geostationäre Umlaufbahn hat, ist die Dauer von Verbindungen auf 18 Minuten beschränkt. Und auch die Zuverlässigkeit lässt zu wünschen übrig: Ein halbes Jahr nach der erfolgreichen ersten Übertragung fällt der Satellit aus, weil er beim Start durch die Partikelwolke eines Atomwaffentests fliegt, der am Tag zuvor von den USA gezündet worden war.

Ein Satellit, bei dem der Kontakt nach wenigen Minuten abreißt? Damit können weder Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch Fernsehleute leben. Dank des technischen Fortschritts können 1964 aber die Olympischen Spiele in Japan live im US-Fernsehen übertragen werden. Schwarz-weiß, ohne Ton (der kam per Telefon) und mit mäßiger Qualität – aber immerhin: live. Die Übertragung läuft jetzt über den ersten geostationären Kommunikationssatelliten, den Syncom 3. Weil dieser von der Erde aus vermeintlich stets am selben Punkt im All steht, sind nun auch Verbindungen ohne Abbruch möglich. Heute ist das bei Kommunikationssatelliten Standard: Mit drei geostationären Satelliten (plus der dazugehörigen Bodenstationen) lässt sich ein weltumspannendes Kommunikationsnetz aufbauen.

1969: Neil Armstrongs historische Schritte auf dem Mond werden im Fernsehen übertragen. Live. Und auf der ganzen Welt. Die Übertragung, die 500 Millionen Zuschauende sehen, gelingt, weil nicht mal drei Wochen zuvor mit dem Intelsat III das erste weltumspannende Netz an geostationären Kommunikationssatelliten in Betrieb genommen worden war.

Die Astronauten senden vom Mond in Schwarz-Weiß mit zehn Bildern pro Sekunde, mittels einer 66-cm-Satschüssel über das S-Band (über Frequenzen also, die heute noch immer für Satellitenfunk verwendet werden, sogar an Bord der ISS). Die Signale werden in den USA und Australien empfangen, via Intelsat III nach Houston gesendet, dort aufbereitet und dann via Intelsat live in alle Welt übertragen.

1974 wird der deutsch-französische Satellit Symphonie A ins All geschossen. An Bord hat er zwei Transponder. 1975 startet sein identisches Schwestermodell Symphonie B. Gesteuert werden auch sie vom DLR in Oberpfaffenhofen, über dessen Antennen in Raisting.

1975: Während es in der BRD mit ARD (inklusive seiner dritten Programme) und ZDF und in der DDR mit DFF1 und DFF2 nur wenige Sender gibt, setzt sich in den USA Kabelfernsehen durch. em Pay-TV-Anbieter HBO gelingt 1975 der Durchbruch, denn dank Satellitentechnik (zunächst auf Weststar 1, dann auf Satcom 1 mit 24 Transpondern) kann nun erstmals Fernsehen mit mehreren Kanälen USA-weit übertragen werden. Schon 1976 existieren für die USA 120 Transponder auf Satelliten – und jeder Transponder kann einen TV-Sender übertragen. Die Kabelfernsehkunden und -kundinnen haben allerdings keine Satellitenschüssel auf dem Dach, sondern bekommen die Programme übers Fernsehkabel. Ins lokale Kabelnetz werden die Signale von einer Bodenstation (mit Satellitenantenne) in der Stadt eingespeist.

1978 zieht Europa dann nach: Der europäische geostationäre Kommunikationssatellit OTS mit immerhin sechs Transpondern wird gelauncht. 1982 geht auch der erste Sat-TV-Sender Europas auf Sendung: Sky 1.

Ab 1988 sendet Astra 1A. Mit relativ kleinen Schüsseln (60–90 Zentimeter) und günstigen Receivern können 16 Programme empfangen werden, darunter ab 1989 die drei wichtigsten deutschen Privatsender RTL, Sat.1 und Pro7. Das deutsch-französische Konkurrenzsystem TV-Sat setzt sich nicht durch, obwohl sogar nur 45 Zentimeter kleine Schüsseln zum Empfang ausreichen. Der Grund: Nur vier Sender werden übertragen, und dafür sind auch noch spezielle Set-Top-Boxen für die moderne, aber exotische Fernsehnorm D2-MAC erforderlich.

Zwar ist Fernsehen auch heute noch wichtig, aber nicht mehr in seiner herkömmlichen Form: Ein festes und unverrückbares Programm, das alle Zuschauer und Zuschauerinnen gleichzeitig verfolgen, wird bald der Vergangenheit angehören. Mit immer mehr Streaming-Angeboten und zeitversetztem Sehen werden schnelle Internetanbindungen von Tag zu Tag wichtiger – sowohl für Unternehmen als auch für Privatleute. Der Eutelsat KA-SAT versorgt Europa seit 2010 von 9° Ost aus mit schnellem Satelliten-Internet. An Bord befinden sich 82 Transponder, jeder mit einer Kapazität von 475 Mbit/s. 7 Transponder senden und empfangen Daten für die Kundschaft in Deutschland, die Nutzerinnen und Nutzer müssen sich natürlich die maximale Datenrate des Transponders teilen. Deshalb gibt es für jeden Kunden beziehungsweise jede Kundin circa 22 Mbit/s. Eine Alternative ist Astra Connect mit 20 Mbit/s.

Superschnell, superscharf: Datentransfer per Satellit

Die Lösung: Licht- statt Radiowellen – rasante Datenübertragung via Laser

Megakonstellationen ermöglichen Internet aus dem All – überall