Übertragungsmethoden

In den frühen Tagen der Raumfahrt versuchte man soviel wie irgend möglich in den Bodenstationen zu erledigen und die Satelliten nur als Relaisstation (Bent Pipe Prinzip) einzusetzen. Das heißt, die Daten werden von der Erde zum Satelliten gesandt, welcher die Daten  unverändert wieder in einen, dem Abstrahlwinkel seiner Antenne entsprechenden Bereich auf die Erde zurückstrahlt.. Einerseits war die Satellitentechnologie noch nicht ausreichend zuverlässig und eine Reparatur im Weltall war damals nicht möglich. So war es des öfteren Vorgekommen, daß ein defekt eines an sich simplen Bauteils eine ganze Mission frühzeitig scheitern ließ. Darüber hinaus wollte man Gewicht sparen um die Kosten für den Booster, welcher auch in seiner Leistung sehr begrenzt war, in vertretbarem Rahmen zu halten.

Mittlerweile hat sich parallel zur Raumfahrttechnologie die Elektronik und mit ihr die Computertechnik rapid weiterentwickelt und die Konstruktionen der verwendeten Bauteile sind zuverlässiger und vor allem wesentlich leistungsfähiger geworden. Durch die Miniaturisierung der Bauteile ist auch das Satellitengewicht trotz vieler Funktionen, die nun an Bord im All ausgeführt werden, nicht im selben Ausmaß gewachsen.

So werden nun in neuen LEO (Low Earth Orbit) Systemen auch komplexe Berechnungen an Bord der Satelliten durchgeführt. Zusätzlich werden auch zwischen den Satelliten Daten weitergereicht, ohne die Daten so wie bei den ersten Systemen sofort wieder auf die Erde zurückzustrahlen (Bent Pipe Prinzip). Dies hat die Kapazität und Effizienz der Kommunikation per Satellit weiter erhöht.

 

Einige technische Grundlagen sind Notwendig

Für Kommunikationssysteme mit Funkübertragung, egal ob terrestrisch oder per Satellit kommen drei prinzipielle Übertragungs–Methoden zur Anwendung.

 

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

Für analoge Übertragung ist dies FDMA (Frequency Division Multiple Access). Hier wird jeder Datenstrom auf einer eigenen Frequenz gesendet und ist so von anderen Datenströmen Unterscheidbar. Vorteil ist der einfache technische Aufbau und die Robustheit dieses Prinzips. Nachteil ist, daß um Interferenzen zu Vermeiden die Benützten Frequenzen einen kleinen Abstand voneinander haben müssen, der ungenützt bleibt. Dies ist ein sehr unökonomischer Umgang mit dem knappen zur Verfügung stehenden Frequenzspektrum. Weiters kann der Verstärker im Satelliten und in der Bodenstation, aus dem selben Grund nur mit einem Bruchteil seiner möglichen Sendeleistung betrieben werden.

 

Time Division Multiple Access (TDMA)

Die TDMA Technik die Vorwiegend bei modernen digitalen Mobilfunksystemen zum Einsatz kommt. Hier werden alle Daten auf einer Frequenz gesendet, aber den jeweils zusammengehörenden Daten wird ein, immer wiederkehrender kurzer Zeitraum zugeordnet. Einer der wohl Bekanntesten Vertreter dieser Zugriffsmethode ist das Russische Positionierungssystem GLONASS. Dieses Prinzip, verschiedene Datenströme welche in einer Leitung gleichzeitig transportiert werden, von einander unterscheidbar zu machen, wird auch in Computernetzwerken verwendet. (Deswegen können diese Computernetze auch von einer über GPS übertragenen hochgenauen Zeitmessung profitieren, da dann die Zeitscheiben sehr präzise steuerbar werden). Zum Beispiel sind etliche der Backbones (Zentrale Hauptverbindungen zwischen Servern) des Internets mittels diesem Verfahren auf maximalen Datendurchsatz optimiert. 

 

Code Division Multiple Access (CDMA)

Bei der CDMA Zugriffsmethode werden alle zu übertragenden Daten auf einer Frequenz und zur selben Zeit gesendet. Die Unterscheidbarkeit von zusammengehörenden Daten wird durch sogenannte PRN Codes (Pseudo Random Noise), also eine nur scheinbar zufällige Datenstruktur erreicht. Der unbestreitbare Vorteil dieser Technologie ist die Effizienz, da der Verstärker des Senders, sowohl im Satelliten als auch in der Bodenstation mit voller Leistung senden kann. Interferenzen sind, weil benachbarte Funkkanäle einen größeren Abstand zueinander haben nicht so kritisch wir bei analogen FDMA Systemen.
Das US-Amerikanische Positionierungssystem NAVSTAR-GPS verwendet diese Methode um die Signale von verschiedenen Satelliten voneinander Unterscheidbar zu machen. Der höhere technische Aufwand, der nötig ist um die Signale zu synchronisieren fällt mit steigender Leistungsfähigkeit moderner Hardware immer weniger ins Gewicht. Freilich besteht ein Limit, da in einer vorgegebenen Bandbreite nur eine bestimmte Anzahl von unterschiedlichen PRN Codes (Pseudo Random Noise, bei NAVSTAR auch als Gold Codes bezeichnet) gleichzeitig untergebracht werden kann.

 

Signallaufzeitverzögerungen



In Abwandlung des Klassikers "Wo Schatten ist, muß auch Licht sein", gibt es noch weitere Vorteile der LEO (Low Earth Orbit ) Satellitenkonstellation, welche die genannten Nachteile, insbesondere der geringe Bereich der Signalbedeckung, mit daraus resultierender großer Anzahl notwendiger Satelliten für eine weltweite Versorgung der Erdoberfläche, wieder in einem anderen Licht erscheinen lassen. Aufgrund der relativ niederen Flughöhe ergeben sich nur geringe Signallaufzeitverzögerungen. Typischerweise beträgt die Verbindungsverzögerung bei Flugbahnhöhen, in denen LEO'S operieren nur 0,125 Sekunden. Hingegen bei GEOS (Geostationäry Earth Orbit Satellite), die ja wesentlich weiter von unserem Planeten entfernt sind, (35,785 Kilometer) macht sich diese Verzögerung schon deutlicher Bemerkbar. Sehr gut ist sie während eines Fernsehinterviews zu beobachten, wenn ein Gesprächspartner in einem anderen Erdteil ist und per Satellit ins Studio übertragen wird. Zwischen dem Ende einer gestellten Frage und dem Beginn der Antwort vergehen manchmal bis zu 11/2 Sekunden, was möglicherweise vielen Zusehern bereits als störend aufgefallen ist.

 

Abb. 5 Patch-Antenne

 

 

Mehrwegeempfang

Omnidirektionale Antennen haben den Vorteil zum Empfang von Signalen nicht auf den Satelliten ausgerichtet sein zu müssen. Unangenehmer Nebeneffekt ist, daß sie gerade dadurch sehr empfindlich für Mehrwegeempfang sind. Darunter versteht man Teile des Signals, die nicht direkt an der Antenne eintreffen, sondern vom Boden oder sonstigen sich in der Umgebung der Empfängerantenne befindlichen Gegenständen reflektiert werden und durch diesen verlängerten Weg auch ein wenig später an der Antenne eintreffen. Je näher sich der sendende Satellit am Horizont befindet, desto stärker ist der störende Einfluß des Mehrwegeempfangs. Dies ist bei GEOS insbesondere in höheren Geographischen Lagen (etwa ab dem 70. Breitengrad) der Fall. Der Schatten im Fernsehbild ist ein plakatives Beispiel für Mehrwegeempfang. Wenn die Fernsehantenne nicht entsprechend umsichtig Aufgestellt wurde, sind im Bild Schatten zu sehen, was insbesondere bei Zimmerantennen, wie sie früher in Gebrauch waren sehr leicht der Fall sein konnte.

 

Unterschiedliche Polarisation

Die entgegengesetzte Polarisierung der zu Übertragenden Signale benachbarter Funkkanäle kann ebenfalls dazu beitragen, innerhalb der vorgegebenen Bandbreite eines Frequenzspektrums mehr nutzbare Kanäle unterzubringen, ohne dafür Interferenzen in Kauf nehmen zu müssen. So ist es zum Beispiel machbar aneinandergrenzende Funkkanäle mit einer Bandbreite von 27MHz, wenn sie jeweils entgegengesetzt Polarisiert sind nur 18 MHz voneinander entfernt zu Übertragen, ohne daß es zu störenden Interferenzen zwischen den einzelnen Funkkanälen kommt, obwohl sich rein rechnerisch eine Überlappung von 4,5 MHz auf jeder Seite eines Funkkanals ergibt..

 

 

 

 

 

 

 

 Abb. 6 Antennenpolarisation

 

  


 

Bevölkerungsexplosion im Weltall

Die US Behörde NORAD (North American Air Defense Command) verfolgt momentan die Flugbahnen von mehr als 6000 von Menschen erzeugten Objekten, welche unseren Planeten umkreisen. Jährlich kommen zirka 800 neue hinzu und etwa 400 werden pro Jahr von der Gravitation in die Atmosphäre gezogen, wo sie verglühen. Mit Radar sind nur Objekte, die größer als ein Tennisball sind, ortbar. Aber bereits ein Objekt mit der Größe einer Bohne, kann wegen seiner hohen Geschwindigkeit, schweren Schaden an Satelliten oder Raumfähren anrichten. NASA Experten schätzen, daß von ca. 23.000 solchen gefährlichen Objekten, die zu klein sind um mit Radar geortet werden zu können, sich etwa 7500 noch immer in einer Erdumlaufbahn befinden.

 

 

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Satellitenflugbahnen und im Bau befindliche Konzepte

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