Satellitenprojekt EDRS: Europäische Datenautobahn im All

Satellitenprojekt EDRS: Europäische Datenautobahn im All

Wissen | Hintergrund

Anfang August hob eine Ariane-5-Rakete mit dem neuen Kommunikationssatelliten EDRS-C ab. Er sammelt Daten von anderen Satelliten per Laserkommunikation und überträgt sie nahezu in Echtzeit zum Boden.

Eigentlich sollte dieser Beitrag eine Reportage vom Weltraumbahnhof Kourou über den Start einer Ariane-5-Rakete werden, die den Kommunikationssatelliten EDRS-C in eine geostationäre Bahn bringt. Doch genauso wie sich die Bahn verspätet, muss man auch bei Raketenstarts mit „Verzögerungen im Betriebsablauf“ rechnen. Der erste Starttermin für die Ariane platzte, weil es eine Panne bei einem anderen Raketenstart gab: Eine Vega-Rakete stürzte nach zwei Minuten, in denen sie dem Morgenhimmel entgegeneilte, sang-, aber nicht klanglos ab.

Nach dem großen und teuren Feuerwerk war Ursachenforschung gefragt, und daher verschob Arianespace den Start der Ariane 5 mehrfach, sodass ein c’t-Trip zum Startgelände nicht mehr machbar war. Als die Ariane 5 schließlich am 6. August um 21:30 Uhr abhob, verfolgten wir den Start übers Internet.

Eine Ariane 5 ist vorher schon 104-mal ohne viel Aufhebens abgehoben – wieso also interessieren wir uns ausgerechnet für diesen Start? Vor allem deshalb, weil der neue Satellit EDRS-C die Datenübertragung im All enorm beschleunigt und sie beinahe in Echtzeit verfügbar machen soll. Ein Gewinn ist das vor allem für Nutzung der frei verfügbaren Daten der Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten. Sie sammeln Bilder und Daten etwa zur Erforschung des Klimawandels, der Meere und der Atmosphäre. EDRS-C soll aber auch den Bedarf an schnell verfügbaren Daten für andere kommerzielle Kundschaft stillen, hoffen die Betreiber. Das Problem bisher: Die Daten flossen nur häppchenweise.

3-2-1-Start!

Die Erde wird von etlichen Satelliten umkreist. Viele davon fliegen auf niedrigen Bahnen, dementsprechend befinden sie sich nur kurz in den Empfangsbereichen von Bodenstationen in Europa. In diesen Zeitfenstern haben etwa die Sentinel-Satelliten nur zehn Minuten zum Abliefern ihrer gesammelten Daten. Bis sie nach einem weiteren Umlauf wieder im Empfangsbereich sind, vergehen bis zu 80 Minuten. So bleibt sehr wenig Zeit zum Übertragen.

Hier setzt das europäische Daten-Relaissystem (EDRS) an: Mit geostationären Satelliten spannt EDRS mit vorerst zwei Satelliten einen riesigen Empfangsbereich für niedrig fliegende Satelliten, Drohnen und sogar Flugzeuge auf. EDRS-Satelliten fangen ihre Daten auf und übertragen sie zum Boden – im Endausbau global und ohne begrenzende Zeitfenster für den Datenfluss. EDRS ist also eine klassische Relaisstation, nur eben im All. Die weitere Besonderheit ist, dass die Daten per Laserverbindung von Satellit zu Satellit gefunkt werden, was die Datenrate massiv erhöht. Für die via EDRS dauerhaft mit den Bodenstationen verbundenen Satelliten fällt noch ein Kollateralnutzen ab: Sie können vom Boden auch sehr kurzfristig mit neuen Befehlen gefüttert werden, etwa für Bahnmanöver oder Beobachtungsaufgaben.

Das Programm gehört unter dem damaligen Titel ARTES 7 zu einem Entwicklungsprogramm der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA). Die US-amerikanische NASA unterhält vergleichbar dazu das Tracking and Data Relais Satellite-System (TDRS). Es hat aber keine Laserterminals.

Das europäische System macht Europa unabhängig von Bodenstationen anderswo. Eine globale Abdeckung wird schon mit drei Satelliten erreicht, von denen EDRS-A 2016 huckepack auf Eutelsat 9B in seine geostationäre Bahn (9 Grad Ost) gestartet ist. Über EDRS-A wurden bereits 23.000 Verbindungen mit mehr als einem Petabyte Datenvolumen abgewickelt, sagte Richard Franklin, der für die EDRS-Plattform die Nachrichtenübertragungstechnik bei Airbus Defense and Space verantwortet. Auf DVDs gespeichert, wären dafür mehr als 200.000 Silberscheiben nötig, was übereinandergestapelt der Höhe des Main Towers in Frankfurt entspricht.

Anfang August folgte EDRS-C, dessen Bahn bei 31 Grad Ost angesiedelt ist, sich also quasi oberhalb der Linie von Finnland, dem Schwarzen Meer, Ägypten und Ostafrika synchron mit der Erde mitdreht. EDRS-C wurde in Deutschland von OHB in Bremen gebaut, die dafür die bereits vorhandene SmallGEO-Plattform weiterentwickelten. Der nächste im Bunde, EDRS-D, soll ab etwa 2024 die Phase 2 von EDRS Global einläuten. EDRS-D bringt eine Verschlüsselungsmöglichkeit für Daten mit und erweitert die Abdeckung der europäischen Weltraumdatenautobahn (tolles Scrabble-Wort!) um den asiatisch-pazifischen Raum. EDRS-E folgt 2026.

Wer sich jetzt fragt, warum in der Aufzählung ein Satellit namens EDRS-B fehlt: Er wurde zwar konzipiert, aber nie gebaut.

Schon das Pärchen EDRS-A und -C wird reichen, um ab Ende 2019 die Breitbandkommunikation zum Raumlabor Columbus der internationalen Raumstation ISS zu übernehmen. Ein Großkunde für den sogenannten SpaceDataHighway, der wie einige Autobahnen auf der Erde in Private-Public-Partnership zwischen der europäischen Raumfahrtagentur ESA und Airbus Defense and Space entstanden ist, wird das europäische Copernicus-Programm mit seinen Sentinel-Satelliten sein. Mit täglich mindestens 6 TByte Übertragungsvolumen haben sie einen bislang kaum stillbaren Bedarf an der Datenautobahn im Orbit.

Die Betreiber verwerten die Plattform auch kommerziell und stellen sie weiteren Kunden bereit, die Satellitendaten in nahezu Echtzeit benötigen. Dabei denken ESA und Airbus unter anderem an Reedereien, die damit ihre Schiffe verfolgen können.

EDRS-A und auch EDRS-C übertragen Daten von Satellit zu Satellit unter anderem per Laserkommunikation, also optisch und damit auf Sicht. Damit erreicht man hohe Übertragungsraten. Im All gibt es kaum Fremdkörper, welche die Übertragung stören.

Vorläufer der Laserterminals flogen schon 2007 auf den LEO-Satelliten TerraSAR-X und NFIRE mit. Die bei EDRS genutzten Laserterminals baute die deutsche Firma Tesat, unterstützt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Sie übertragen etwa 1,8 GBit pro Sekunde über Distanzen bis zu 45.000 Kilometer. Technisch möglich, aber noch nicht ausgereizt, sind Datenraten bis zu 7,2 GBit pro Sekunde.

Das Laserterminal LCT-135 für EDRS-A und -C (und andere Satelliten) wurde von der deutschen Firma Tesat gebaut. Es misst 60 mal 60 mal 70 Zentimeter und wiegt 53 Kilogramm. (Bild: Tesat)

Auch die Software, die für die Datenverbindung zwischen den Satelliten zuständig ist, stammt aus Deutschland. Prof. Felix Huber, Direktor des DLR-Raumflugbetriebs und Astronautentrainings: „Besonders stolz sind wir auf die Entwicklung eines vollautomatisierten Systems, welches die geplanten Links annimmt, verarbeitet, optimiert und überwacht. Dadurch ist unsere Schicht in der Lage, pro Relaissatellit bis zu hundert Verbindungen aufzubauen und parallel dazu Wartungen und gegebenenfalls Fehleranalysen durchzuführen.“

Wenn EDRS komplett in Betrieb ist, soll das Relaissystem täglich bis zu 40 Terabyte übermitteln und das etwa 15 Jahre lang. Die Laserterminals wirken wie maßgeschneidert auf die Sentinel-Satelliten des europäischen Kopernikus-Programms, denn sie haben auch Laserkommunikation an Bord.

Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrowellenbändern verdreieinhalbfacht die Laserkommunikation die Downlink-Datenrate. Die Datenautobahn im Orbit greift allerdings bei der Übertragung der Daten zu den Bodenstationen auf herkömmliche Funktechnik zurück. Die Laserkommunikation taugt nämlich nicht für die Verbindung zum Boden. Ursache dafür ist, dass die Wellenfronten von Laserlicht beim Durchstoßen der Atmosphäre ziemlich in Unordnung geraten, sodass die Phasenintegrität des Signals verloren geht – beim ESA-Windsatellit Aeolus nutzt man diesen Effekt sogar für eine Erfassung der Wetterfronten.

Für die Verbindung zum Boden nutzen EDRS-Satelliten Mikrowellen-Funk, und zwar S-Band-Signale (2 bis 4 Gigahertz) für die Telemetrie und Fernsteuerkommandos sowie das so genannte Ka-Band, also Frequenzen zwischen 26 und 40 Gigahertz. Das Ka-Band dient mit 400 Megahertz breiten Segmenten auch zum Datenaustausch mit anderen Satelliten, die kein Laserterminal (LCT) an Bord haben.

Weil die Daten übers Ka-Band mit 1,8 GBit pro Sekunde und damit nicht langsamer zur Bodenstation tröpfeln als sie per Laserkommunikation von den umlaufenden hereinströmen, staut sich in den EDRS-Satelliten der Datenstrom nicht, er muss also nicht gepuffert werden. Dennoch sprechen die Betreiber nur von „near real-time“-Daten.

Bei dieser Art der Übertragung gibt es keinen Zeitdruck, da die Bodenstationen dank der geostationären Bahn der EDRS-Satelliten stets im Empfangsbereich sind und es somit keine schmalen Empfangsfenster gibt. Einige der Bodenstationen befinden sich in Deutschland.

Für den Betrieb von EDRS-C und ihrer Payloads sowie für dessen Bodenstationen ist die DLR gemeinsam mit dem German Space Operations Center (GSOC) im bayerischen Oberpfaffenhofen verantwortlich. Bei GSOC arbeiten 100 Mitarbeiter für das sogenannte Bodensegment, also Stationen am Boden mit ganz unterschiedlichen Aufgaben. Noch besteht das Empfangsnetzwerk für EDRS aus vier Stationen, die vom GSOC aufgebaut wurden und ferngesteuert werden. Die beiden EDRS-Antennenschüsseln sind in der DLR-Bodenstation in Weilheim südwestlich von München. Weitere Stationen, auch als Redundanz, gibt es im belgischen Redu sowie in Harwell, England. Letztere ist nur für EDRS-A zuständig.

EDRS-C, hier beim Test der Antennen, ist kleinwagengroß und wiegt 3186 Kilogramm. (Bild: Airbus Space & Defense)

Wer EDRS-Kunde ist, darf die Daten auch direkt empfangen, also mit eigenen Stationen. Dafür braucht man einen Spiegel mit mindestens 6,80 Meter Durchmesser. Eine solche Nutzerstation steht im italienischen Ort Matera und wird von e-GEOS sowie dem Satellitenbetreiber SES im Rahmen des Sentinel-Programms betrieben, welches der Hauptnutzer des EDRS-Systems ist.

Den Missionsbetrieb steuert der Auftraggeber Airbus Defense and Space selbst, und zwar in Ottobrunn. Doch bevor hier alle an den Knöpfen drehen und sich die Wissenschaftler über eintreffende Daten hermachen konnten, musste die Rakete erst mal in den Orbit.

In der Missionsbeschreibung für den nüchtern „VA249“ durchnummerierten Start heißt es: Eine Ariane 5 ECA (siehe Bild) soll eine Nutzlast in Form zweier Satelliten namens Intelsat 39 und EDRS-C mit insgesamt 10.661 Kilogramm vom Ariane Startplatz ELA-3 in Kourou in 33 Minuten und genau 31 Sekunden auf einen geostationären Zielorbit von 250 Kilometer (erdnächster Punkt) bis 35.786 Kilometer (erdfernster Punkt) bei einem Neigungswinkel von 4,5 Grad bringen.

ARIANE 5 ECA (Bild: Arianespace)

Die beiden Satelliten schnuppern nach einer Schiffsreise schon im Juni 2019 die südamerikanische Tropenluft. Auf der Straße geht es weiter zum Startgelände. Im Juli folgt das Betanken der Satelliten – im Orbit brauchen sie Energie für Bahnmanöver – bevor sie in ihr Tragegestell Sylda (Système de Lancement Double Ariane) eingebaut werden: der schwerere Intelsat 39 oben und EDRS-C unten. Ende Juli verschrauben Monteure das Ganze dann mit der Rakete und Ingenieure inspizieren sie. Erst am 5. August, also einen Tag vorm Start, wird die Rakete vom Montageplatz zur Startrampe gerollt.

Vier Sekunden vorm Start übernehmen die beiden Bordrechner in der Ariane 5 ECA, die die Flugbahn von Ariane 5 kontrollieren sollen. Beim Start hebt die Rakete etwa 7 Sekunden nach dem Zünden der Triebwerke ab. Nach ziemlich genau 197,2 Sekunden trennt sich Ariane 5 ECA von der im All unnützen Verkleidung der Satelliten, zuvor hat sie schon die beiden leeren Feststoffraketen (EAP) abgeworfen, die Hauptstufe (EPC) folgt und platscht in einen gesicherten Bereich des Golfs von Guinea.

Nach einer knappen halben Stunde haben die Ariane-Verantwortlichen im Kontrollzentrum in Kourou keinen Grund mehr zum Nägelkauen: Die beiden Satelliten sind abgetrennt und die finalen Bahnmanöver der beiden Himmelskörper waren nicht mehr ihr Problem.

„Nach dem Start der Ariane-5-Rakete und dem Aussetzen des Satelliten in einer Geo-Transferbahn gilt es zunächst, eine stabile Verbindung mit dem Satelliten zu bekommen. Dies ist am Anfang die größte Herausforderung“, sagt EDRS-Projektleiter Ralf Faller am GSOC. Alles klappt: EDRS-C funkt erste Lebenszeichen an die Bodenstationen in Deutschland und ist damit für die nächste Etappe vorbereitet.

Dr. Stefan Voegt, EDRS-C Projektleiter bei der OHB System AG, erklärt: „Mit Abtrennung von der Rakete muss unser Satellit sich aus eigener Kraft, sprich mit dem eigenen chemischen Antrieb, in den geostationären Orbit einschießen. EDRS-C steuert zunächst eine zugewiesene Testposition an, die er nach ungefähr zwei Wochen erreicht haben wird und auf der er über einige Wochen hinweg kalibriert und nach und nach hochgefahren wird“. Dann wird er an seinen eigentlichen „Dienstort“ auf 31° Ost rund 36.000 Kilometer über dem Äquator manövriert. Hier wird der Satellit in Betrieb genommen (Commissioning), schrittweise ins System eingegliedert und hoffentlich 15 Jahre lang funktionieren.

EDRS-C hat den Empfangsbereich für Erdbeobachtungsdaten in nahezu Echtzeit stark erweitert; mit EDRS-D und -E wird in den nächsten Jahren sogar eine weltweite Abdeckung erreicht. Damit kann man dann die Wirkungen eines Schmetterlingsschlages in der Südsee auf das Wetter hierzulande nahezu live in den Daten wiederfinden – und damit vielleicht auch Verspätungen der Deutschen Bahn besser vorhersagen. (mil)


Dieser Beitrag stammt aus c't 19/2019.

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