Kommunikationssatelliten - die dritte Generation
Weltweites telefonieren mit dem Satelliten-Handy
In den drei vorausgegangenen Artikeln habe ich mich mit NAVSTAR-GPS beschäftigt und die vielen Möglichkeiten, welche die Satellitennavigation für die Bahn bietet, transparent gemacht.
Um das volle Potential, sowohl bei den Rationalisierungen, als auch bei der Verbesserung der Betriebssicherheit , das sich durch die Verwendung von GPS eröffnet, ausnutzen zu können, ist eine Sprach-, und Datenverbindung zwischen der Zuglokomotive und der jeweiligen Leitstelle notwendig. Dieser Link kann wie bei GSM(-R) Group Special Mobile (-Railway), ausschließlich mit terrestrischen Sendern, oder per Kommunikationssatelliten realisiert werden.
In diesem Artikels werde ich mich mit Satellitenkommunikations Systemen und hier mit den verschiedenen prinzipiellen Konzepten, die weltweites telefonieren mit einem Handy ermöglichen werden auseinandersetzen.
Ein kurzer historischer Überblick
Der erste Satellit welcher am 4. Oktober 1957 in eine LEO (Low Earth Orbit) Erdumlaufbahn gebracht worden war, ist der Russische SPUTNIK (Begleiter) gewesen. Sein Gewicht betrug 84 kg und er war genau 21 Tage lang aktiv, und verglühte nach 57 Tagen in der Erdatmosphäre.
Erste Kommunikationssatelliten waren die 1962 ins All gebrachten Satelliten RELAY und TELSTAR-1, letzterer konnte 600 Telephongespräche und einen Fernsehkanal übertragen und war etwa ein knappes Jahr lang aktiv.
Abb. 1 Sputnik, der erste Satellit im All
Geostationäre Satelliten
Die Kommunikationssatelliten der ersten Generation sind geostationär, das heißt sie umkreisen unseren Planeten mit einer Geschwindigkeit gleich der Erdrotation und sind somit kontinuierlich über dem selben Punkt der Erde zu sehen.
Der Nachteil dieser Satellitenkonfiguration ist, daß die Satelliten in einer Entfernung von 35785 Km über dem Äquator positioniert sind. Aufgrund dieser großen Entfernung von der Erde müssen sie eine höhere Sendeleistung haben und benötigen daher mehr Energie, was die Satelliten wieder schwerer macht (mehr Akkus und größere Sonnensegel). Deswegen benötigt diese Satellitenart wegen ihres höheren Gewichtes stärkere Booster um auf die Geschwindigkeit von mindestens 27350 Stundenkilometer beschleunigt werden zu können. Diese Geschwindigkeit ist notwendig um die Erdanziehungskraft zu überwinden und in eine Erdumlaufbahn zu gelangen. Bei überschreiten von einer Geschwindigkeit von 37800 Stundenkilometern überwiegt die Zentrifugalkraft die Gravitation und das Objekt verläßt den Einflußbereich unseres Planeten und entschwebt in die tiefen des Weltalls.
Sir Isaac Newton theoretisierte bereits im 17. Jahrhundert über die Möglichkeit künstlicher Erdtrabanten. Erst nahezu 300 Jahre später, im Herbst des Jahres 1945 veröffentlichte Arthur C. Clarke in der Publikation Wireless World den Artikel "Extra Terrestrial Relays", in dem er über drei bemannte Satelliten in geostationären Orbits in 35785 km Höhe schrieb, die weltweit empfangbare Fernsehsendungen ausstrahlen könnten. In diesem nach seinem Entdecker Arthur C. Clarke benannten Gürtel wirken Erdanziehungskräfte, wenn der Satellit eine Geschwindigkeit hat, die der Erdrotation entspricht, genau Entgegen den Rotationskräften und halten den Satelliten ohne große Bahnkorrekturen auf dieser Position. Von der Erde aus betrachtet erscheint der Satellit immer über dem selben Punkt, also geostationär zu schweben.
Abb. 2 Der Clarke Gürtel
Nachteilig sind die relativ großen Antennendurchmesser, wie sie auch bei den Empfangsanlagen für Signale der Fernsehsatelliten üblich sind und daß die Antennen auf den Satelliten ausgerichtet sein müssen. Letzteres ist bei mobilen Anlagen nur sehr aufwendig zu bewerkstelligen, und ermöglicht eine Kommunikation nur für den Zeitraum, während dem die Antenne statisch und auf den Satelliten ausgerichtet ist. Darüber hinaus wird in höheren geographischen Lagen (etwa ab dem 75. Grad nördlicher und südlicher Breite) die ebenfalls notwendige freie Sicht der Antenne auf den Satelliten, der von dort gesehen schon sehr nahe dem Horizont ist, leicht durch Berge, Bäume oder bauliche Objekte verdeckt.
Geostationäre Satelliten werden Aufgrund der im Äquatorialbereich verstärkten Erdanziehungskraft, welche auf die in Äquatorregionen größeren Erdmasse des Geoids das unser Heimatplanet ist zurückzuführen ist, nur im Bereich über dem Äquator positioniert. Dies ist sehr leicht an den vielen Fernsehschüsseln zu erkennen, die hier bei uns auf der Nordhalbkugel alle nach Süden (also zum Äquator hin) zeigen.
Der Grund ist aus der Zeichnung zu ersehen: Diese Kräfte "Second Zonal Harmonics" genannt, bringen den Satelliten aus seiner Bahn, was zu permanenten Bahnkorrekturen, sowie einem unendlich großen Treibstoffvorrat für die Raketenmotoren an Bord des Satelliten führen würde. Vertreter dieser Bauart sind die INMARSAT A-, B-, und M-Systeme, die seit Jahren globalen Datentransfer bzw. telefonieren, allerdings mit den genannten Einschränkungen, ermöglichen. Die 1979 gegründete INMARSAT Organisation (International Maritime Satellite Organization) war mit jeweils einem geostationären Satelliten über dem Atlantik, dem Pazifik und dem Indischen Ozean 1969 der erste Anbieter weltweiter Kommunikations-, und Fernsehübertragung.
Abb. 3 Beeinflussung von geostationären Satelliten durch Erdkräfte
Flugbahnstabilität
Bis etwa 1965 war für geostationäre Satelliten das Drehen um die eigene Achse, die vorwiegend Angewandte Methode zur Flugbahnstabilisierung. Solarpaneele und Antennen wurden dabei auf einer eigenen, nur durch eine Welle mit dem Satellitengehäuse verbundenen Plattform montiert. Diese Plattform wurde von einem sich im Satellitengehäuse befindlichen Elektromotor mit der gleichen Drehzahl mit der sich auch der Satellit drehte, jedoch in entgegengesetzter Richtung angetrieben. So erreichte man, daß trotz drehendem Satelliten die Sonnensegel permanent auf die Sonne ausgerichtet bleiben uns die Antennen immer zur Erdoberfläche zeigen. Seit den frühen 90er Jahren wird zur Harmonisierung der Satellitenbahn die Methode der drei Achsen Stabilisierung verwendet und je voluminöser und schwerer die Satelliten gebaut wurden, desto effizienter erwies sich diese Technik. Sie wird auch von den NAVSTAR-GPS Satelliten zur Flugbahnstabilisierung angewandt und ist bereits im Artikel "NAVSTAR-GPS, das globale Positionierungssystem" Beschrieben worden.
Das erstaunliche daran ist, daß dieses Prinzip bereits gegen Ende der 50er Jahre für den Nachrichtensatelliten ADVENT des Amerikanischen Verteidigungsministeriums vorgesehen war. Dieser damals schon etwa 800 kg schwere Satellit hätte nur mit einer ATLAS CENTAUR Trägerrakete, welche zu diesem Zeitpunkt noch mit vielen Unzuverlässigkeiten behaftet war, ins All befördert werden können. 1962 schließlich wurde das Programm wegen zu hoher Kostenüberschreitung storniert und der ADVENT Satellit flog nie in den Weltraum, wo man erkennen hätte können, wie fortschrittlich seine Flugstabilisierungstechnik konzipiert war.
EutelTRACS, OmniTRACS
Der nächste Entwicklungsschritt waren Satelliten, die zusätzlich zur digitalen Datenverbindung auch die ungefähre Feststellung der Position (auf zirka 300 Meter) des mobilen Teilnehmers ermöglichten. Hier kommen bereits Motorantennen, die selbst die zum Empfang notwendige Ausrichtung auf die Satelliten besorgen und nur einen Durchmesser von ca. 20 cm haben, zum Einsatz. Die wichtigsten Satellitensysteme dieser Art sind EutelTRACS in Europa, OmniTRACS in den USA sowie INMARSAT-C. Jeweils zwei geostationäre Satelliten reichen aus um Daten weiterzuleiten und die ungefähre Position des mobilen Teilnehmers auf etwa 300 Meter genau festzustellen, wobei die unterschiedlichen Signallaufzeiten zwischen der Anwenderposition und den beiden Satelliten, zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
Abb. 4 Die OmmniTRACS Konstellation
Die dritte Generation
Um den vorhin besprochen Nachteilen der geostationären Satelliten entgegenzutreten, wird die nächste Generation der Kommunikationssatelliten, ebenso wie die GPS und die GLONASS Satelliten dies tun, die Erde umkreisen. Allerdings gibt es auch hier nicht eine alle Probleme befriedigende Lösung, sondern es muß ebenfalls ein, die Anwendungssituation und Investitionskosten berücksichtigender Kompromiß eingegangen werden.
Weiter zu
Technische Grundlagen der Satellitenkommunikation
oder