Vom Nutzen eines Netzes von Datensatelliten

HESSI GroundtrackSatelliten haben ein Problem: Je näher sie der Erde sind, desto schneller flitzen sie von der Erde aus gesehen über den Horizont. Ein Satellit in etwa 500 km Höhe hat z.b. zu einer Bodenstation nur etwa 6-10 Minuten lang Kontakt. Noch schlimmer: Da sich die Erde um ihre eigene Achse dreht, passiert der Satellit beim nächsten Umlauf ein Gebiet weiter westlich. Wie weit westlich, hängt von der Bahnneigung und Bahnform (Ellipse, Kreis, Abstände) ab. Es können bei einer niedrigen kreisförmigen Bahn bis zu 2500-3000 km sein, so dass der Satellit dann schon außerhalb des Empfangsbereiches ist, und man nur etwa 1-2 mal Kontakt mit ihm pro Umlauf hat.
Was kann man dagegen tun? Nun es gibt eine Reihe von Lösungen. Wenn die Bahn nicht durch die Beobachtungen vorgegeben ist, so ist eine äquatoriale oder polare Bahn günstig. Die äquatoriale ist dabei die bessere. Ein Satellit der parallel zum Äquator seine Bahn zieht, passiert jeden Punkt am Äquator pro Umlauf genau einmal. Immerhin eine Verbesserung pro Bodenstation von einem Kontakt pro Tag auf einen pro Umlauf, also etwa 10 mal öfters Kontakt. Mit etwa einem Dutzend Bodenstationen könnte man den ganzen Orbit abdecken (abhängig von der Bahnhöhe). Bei einer Reihe von astronomischen Satelliten, die mit einer Scout Rakete von einer Startplattform vor Kenias Küste aus gestartet wurden, hat man dies z.B. so gemacht. Das Bild rechts zeigt den „Groundtrack“, die Abbildung des Fußpunkts auf der Erde unter dem Satelliten. Der Satellit ist HESSI, ein Röntgensatellit, der sich in einer Bahn mit 38 Grad Inklination befindet. Damit überfliegt er den Bereich von -38 bis + 38 Grad Breite, mit den 6 Bodenstationen die Daten empfangen können.
Ein polarer Satellit passiert pro Umlauf einmal die Pole. In Polnähe stationierte Empfangsstationen (praktisch nur möglich nahe des Nordpols in Russland, Grönland, Spitzbergen, Kanada und Alaska) haben dann auch einen Funkkontakt pro Umlauf, man kann aber nicht mit mehr Stationen dann den ganzen Umlauf abdecken, da in niederen Breiten es nach wie vor eine Verschiebung pro Orbit gibt. Zahlreiche Erdbeobachtungssatelliten, die ja aus polaren Bahnen auch die ganze Erde abbilden können (jede Bahn mit niedrigerer Inklination deckt nur ein Teilgebiet bis zum Breitengrad der Inklination) nutzen diese Bahnen. Sehr viele Bodenstationen sind nahe der Polgebiete. Die ESA hat z.B. einen ganzen Empfangskomplex in Nordnorwegen bei Kiruna.
Jede Bahn dazwischen macht sehr viele Bodenstationen notwendig. Das ist dumm, denn die wichtigsten Startplätze liegen in mittleren Breiten und die Bahnen niedrigster Energie haben dann als Bahnneigung den Breitengrad des Startorts, der dann zwischen 28.8 Grad (Cape Canaveral) und 51.7 Grad (Baikonur) liegt.
Eine andere Lösung ist es weiter weg von der Erde zu gehen. Dann sinkt aber die Nutzlast einer Rakete, da man Hebearbeit verrichten muss (warum soll es einer Rakete anders gehen, als Ihnen, wenn sie mal in einem Hochhaus das Treppenhaus genommen haben, dann wissen sie was Hebearbeit ist). Zudem sinkt bei Erdbeobachtungssatelliten mit steigender Entfernung die Auflösung, d.h. will man eine bestimmte Auflösung beibehalten, dann muss die Optik zum Vergrößern größer werden und wiegt mehr. Das ist also keine gute Lösung. Für Wettersatelliten ist es jedoch ein guter Kompromiss. Um das Wetter vorhersagen zu können, braucht man keine hochauflösenden Bilder. Bilder mit einer Auflösung von 1 km/Pixel reichen dafür locker aus. Dafür sieht man aus 1400 km Entfernung aber auch mehr von der Erde und kann größere Gebiete auf einmal ablichten. Daher umkreisen Wettersatelliten üblicherweise die Erde in Bahnen oberhalb von 1000 km Höhe.
Noch besser wäre es allerdings, man hätte dauernden Funkkontakt wie zu Satelliten im geostationären Orbit. Das dachte sich auch die NASA. Auch umgekehrt wird ein Schuh draus: Ein Satellit im geostationären Orbit hat Funkverbindung zu allen Satelliten auf einer Hemisphäre. Mit zweien, um 180 Grad im Orbit versetzten, kann man zu allen Satelliten eine Verbindung aufbauen.
In den 70 er Jahren entwickelte man bei der NASA daher das Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Das Ziel war, zum einen Großteil der Bodenstationen überflüssig zu machen. Dadurch sollte man einen dreistelligen Millionenbetrag pro Jahr einsparen – alleine damit wäre das System schon zu finanzieren. Satelliten hätten nun auch je nach Orbithöhe zwischen 95-100 % ihrer Umlaufszeit Kontakt zu einem Satelliten. Die Datenmenge würde so rapide ansteigen. Vor allem aber war das System wesentlich für das Space Shuttle. Anders als frühere Missionen, sollte das Space Shuttle sehr viele wissenschaftliche Experimente im Orbit durchführen. Dabei fielen viel mehr Daten und Videoaufzeichenungen an, als bei früheren bemannten Missionen an. Mit den TDRSS Satelliten machte es erst einen Sinn, denn die Möglichkeit zur Datenspeicherung an Bord waren begrenzt.
Die USA entwickelte so das TDRSS System bestehend aus zuerst 3 Satelliten. Nach 5 Jahren sollten diese durch 3 weitere ersetzt werden. Die TDRSS waren die schwersten bis dahin entwickelten Satelliten. Jeder wog 2268 kg und konnte nur mit einem Space Shuttle mit einer IUS Oberstufe gestartet werden. Der Satellit trägt einen ganzen Antennenwald. Für den Empfang im S-Band in dem damals die meisten wissenschaftlichen Satelliten sandten, gab es 30 Dipolantennen, mit 12 konnte auch gesendet werden. Zwei ausrichtbare Antennen an Auslegern konnten im S und Ku Band senden und empfangen. Sie dienten vor allem Hochgeschwindigkeitsübertragungen. Bei einem Öffnungswinkel von 22 x 28 Grad deckte jede Antenne aber trotzdem noch die ganze Erde und Orbits bis 530 km Höhe ab. Eine kleinere Parabolantenne diente zur Datenübertragung zum Boden.
Die erste Generation konnte bis zu 6 MBit/s im S-Band und 300 MBit/s im Ku Band senden. Der Aufbau des Netzwerkes verzögerte sich durch die Challenger Explosion. Bei dieser ging der zweite Satellit verloren und da man die Satelliten nur mit Space Shuttles starten konnte stand so auch der Aufbau des Netzwerks. Wie wichtig die TDRSS Satelliten waren, zeigt auch, dass der erste Start nach dem Verlust der Challenger wiederum einen TDRSS Satelliten in den Orbit beförderte.
Die NASA hatte 7 Exemplare der ersten Generation bestellt. Zum einen jeweils 3 für die komplette Überwachung im Orbit mit je einem Reserveexemplar, wenn die Lebendauer des ersten Satelliten sich dem Ende zuneigte. Der siebte war das Ersatzexemplar für den verlorenen gegangenen TDRSS-B bei der Explosion der Challenger. Die zweite Generation basierte auf dem kommerziellen Satellitenbus HS-601. Sie war auch leichter (im geostationären Orbit noch etwa 1500-1600 kg schwer) und konnte nun mit einer Atlas 2A gestartet werden. Der wesentliche Aufbau ähnelt der ersten Generation, wenngleich es durch den Satellitenbus kleinere Unterschiede gibt (wie z.B. längere Solarpanel). Neu war die Unterstützung des Ka Bandes und die 10 fache Datenrate bei den Einzellinks im S-Band.(bis zu 3 MBit bei maximal 5 Links). Im Ka Band erreichen die Satelliten der zweiten Generation (TDRS H-J) bis zu 800 MBit/s.
Die drei Satelliten der zweiten Generation wurden von 2000-2002 gestartet. Da noch alle jemals in einen Orbit gelangten Satelliten aktiv sind, selbst TDRS-A welcher zuerst in einen Flaschen Orbit gelangte und so einen Großteil seines Lageregelungstreibstoffs schon verbraucht hatte als er den eigentlichen geostationären Orbit erreichte. Er überträgt heute aber nur noch Daten einer Südpol Forschungsstation in die USA).
Zwei weitere TDRSs Satelliten die ebenfalls auf dem HS-601 Bus basieren werden 2012/2013 starten. Die ESA dachte auch einmal an ein eigenes Data Relay System als eigenen Beitrag für die ISS, hat dies jedoch wieder begraben. Und erbringt nun die Leistungen durch das ATV. Die Schwäche des TDRSS ist die begrenzte Anzahl an Hochgeschwindigkeitslinks. Dies ist zum begrenzt durch nur zwei große Parabolantennen, da man für eine hohe Datenübertragung einem Objekt folgen muss.
Da die NASA aber nicht mehr sehr viele Missionen betreibt die hohe Datenraten erzeugen ist dies zu verschmerzen. Biel mehr haben nun andere Betreiber den Bedarf an einem Daten Relay System. Deutschland betreibt z.B. derzeit 6 RADAR Satelliten (5 der Bundeswehr, 1 ziviler). Nächstes Jahr werden es 7 sein. Alleine der zivile TerraSAR-X sendet Daten mit 300 MBit/s zum Boden. Gewinnen kann er Daten sogar mit 680 MBit/s. Für Deutschland alleine würde sich also schon ein Datenrelay Netzwerk lohnen. (Die Bundeswehr lässt zwar derzeit zwei Kommunikationssatelliten entwickeln, doch dienen die zur Verbindung der Truppe in Friedenseinsätzen rund um die Welt mit Deutschland). Das gleiche könnte man von der ESA sagen die jetzt schon Envisat und ERS-2 betreibt und bald eine ganze Flotte von Erdbeobachtungssatelliten entwickeln will.
Selbst zivile Satellitenbetreiber könnten von Datenübertragungssatelliten profitieren. Wourldview 1 von Digiglobe z.B. überträgt die Daten mit 800 MBit/s zum Boden, kann wegen der begrenzten Kommunikation einmal pro Umlauf aber pro Tag nur etwa 500.000 km ablichten, etwas mehr als die Landfläche Deutschlands. Das liegt an der Auflösung von 0.41 m pro Bildpunkt (500.000 km entsprechen so etwa 3000 Milliarden Bildpunkten pro Tag. Für Digiglobe alleine wird ein solcher Satellit wohl zu teuer sein. Die TDRSS K+L Satelliten kosten alleine 695 Millionen Dollar, dazu kommen noch die Startkosten.
Ein Ausweg wäre wohl die optische Kommunikation. Entsprechende Tests gabt es ja schon mit einem SPOT Satelliten und Artemis. Hier konnten 50 Mbit/s zwischen zwei relativ kleinen Teleskopen übertragen werden, Im Vergleich zu Antennen sind derartige optische Terminals leichtgewichtiger. Dafür muss man sie genauer ausrichten. Da keine Wolken und keine Streuung in der Atmosphäre die Signalverbindung stört eignet sich optische Kommunikation systembedingt besser für die Kommunikation Satellit zu Satellit als Satellit zu Erde. Ich glaube eine Chance läge darin jeden Kommunikationssatelliten mit einem Terminal auszustatten, der dann jeweils einen Satelliten verfolgt. Mehrere Terminals machen die Ausrichtung problematisch, schließlich besteht jedes aus einem Teleskop, das eine gewisse Bewegungsfreiheit besitzt. Das wäre eine viel günstigere und einfachere Lösung als einen speziellen Datenübertragungssatelliten zu starten. Wie bei normalen Telekommunikationskanälen könnte man diese Kanäle dann an Satellitenbetreiber vermieten.