Optische Messtechnik ESA setzt auf laserbasierte Satellitenkommunikation

Für die präzise Abstimmung der Laser bei der Kommunikation zwischen Erde und Weltraum setzt die Europäische Weltraumorganisation (ESA) auf hochgenaue optische Wellenlängenmessgeräte. Warum hier ein Spektrumanalysator (OSA) helfen kann.

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Satellitenkommunikation: Beim Datenaustausch zwischen Erde und Satellit setzt die ESA auf hochgenaue optische Wellenlängenmessgeräte.
Satellitenkommunikation: Beim Datenaustausch zwischen Erde und Satellit setzt die ESA auf hochgenaue optische Wellenlängenmessgeräte.
(ESA-Pierre Carril)

Satelliten dienen nicht nur dazu, die weltweite Datenkommunikation zu garantieren, sondern sie beobachten permanent die Erdoberfläche. Sei es, um Flutkatastrophen vorherzusagen oder ein Erdbebengebiet zu überwachen. Die Europäische Weltraumorganisation ESA betreibt dazu ein Netz von geostationären Satelliten, dem sogenannten European Data Relay System (EDRS). Die Satelliten kommunizieren mit einer Konstellation europäischer LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) mit dem Namen Sentinels, welche für die Erdbeobachtung eingesetzt werden.

Die EDRS-Satelliten nutzen Funkverbindungen, um Bilder und andere Daten von den LEO-Satelliten auf terrestrische Server zu übertragen. Allerdings steigt das Datenaufkommen von LEO- und geostationären Satelliten sowie die Satellitenkonstellationen rasch an. Die Folge: Die verfügbare Bandbreite der Funkverbindungen wird bald zu gering sein, um das steigende Datenvolumen übertragen zu können.

Den Datenflaschenhals umgehen

Eine mögliche Antwort ist die optische, laserbasierte Kommunikation. Zum Einsatz kommt diese Form der Datenübertagung zwischen den LEO-Satelliten und dem EDRS-Netz genutzt wird. Auf der Erde ist die optische, laserbasierte Kommunikation eine bewährte Technik und ist das Rückgrat des Internets.

Doch im Unterschied zur Laserkommunikation auf der Erde ist im freien Weltraum die laserbasierte Kommunikation zwischen Erde und Satelliten nicht ganz so trivial. Hier ist eine spezielle Lasertechnik notwendig. Der Grund liegt darin, dass die Laser von Wolken und anderen Wetterphänomenen gestört werden können.

Genau spezifizierte Infrarot-Wellenlänge

Hinzu kommt, dass die optischen Signale zum Schutz gegen externe optische Störquellen nicht über eine Glasfaserleitung übertragen werden kann. Fakt ist, die optischen Kommunikationssysteme müssen ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen. Nur so lässt sich die Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufrechterhalten.

Im EDRS-System der ESA werden die Signale mit einer sehr genau spezifizierten Infrarot-Wellenlänge von 1064,625 nm ±11 pm übertragen. Dabei weist die Spitzenwellenlänge fast keine Abweichungen auf. Damit ist der Empfänger in der Lage, sich auf das übertragene Schmalbandsignal einzustellen und Störsignale zu eliminieren. Selbst wenn die Sonne in der Sichtlinie des EDRS-Satelliten ist, kann der Satellit arbeiten.

Exakte Wellenlänge des Senders beibehalten

Die ESA setzt die Technik der optischen Erde-zu-Satelliten-Kommunikation in ihrer optischen Bodenstation (OGS) auf der spanischen Insel Teneriffa und im 2,2-Meter-Teleskop Aristarchos im Chelmos-Observatorium auf dem Peloponnes in Griechenland ein.

Dabei ist es entscheidend, die exakten Wellenlänge des Senders beizubehalten, was ein entscheidender Teil des Betriebs des Aristarchos-Systems ist. Hier hilft eine Technik, bei der der Senderlaser von einer 808-nm-Laserdiode gepumpt wird, um eine genaue Ausgangsleistung von 1064,625 nm ±11 pm zu erzeugen. Diese Wellenlänge wird durch Anpassung der Betriebstemperatur des Senderlasers genau gesteuert.

Einsatz präziser, optischer Messtechnik

Optische Messtechnik: Für die Kommunikation zwischen Erde und Weltraum setzt die ESA Messtechnik von Yokogawa ein.
Optische Messtechnik: Für die Kommunikation zwischen Erde und Weltraum setzt die ESA Messtechnik von Yokogawa ein.
(Bild: Yokogawa)

Die Messung optischer Kommunikationssysteme erfolgt in der Regel mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA), einem hochpräzisen und zuverlässigen Instrument, das neben anderen Kriterien auch die optische Wellenlänge analysiert. OSAs wie der AQ6370D von Yokogawa erreichen eine Wellenlängenmessgenauigkeit von ±10 pm bei einer Referenzwellenlänge von 1550 nm und ±100 pm bei 1064,625 nm. Das ist zwar sehr genau, aber immer noch nicht genau genug, um die Anforderungen der Aristarchos-Anlage zu erfüllen.

Zoran Sodnik ist Leiter der optischen Kommunikationstechnologie im Direktorat für Telekommunikation und integrierte Anwendungen der ESA. Er ist verantwortlich für das optische Kommunikationssystem, das mit dem Aristarchos-Teleskop installiert wurde.Sodnik: „Der EDRS arbeitet mit Frequenzen, die in Vielfachen von Terahertz gemessen werden, und die Wellenlängen von Sender und Empfänger liegen nicht mehr als 28 GHz auseinander. Das bedeutet, dass die Frequenz des Lasers mit Gigahertz-Präzision eingestellt und dann mit demselben Maß an Präzision und Genauigkeit gemessen werden muss.

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In Zusammenarbeit mit Simac Electronics, einem niederländischen Anbieter von Verbindungs- und Messtechnik, wählte die ESA ein spezielles optisches Wellenlängenmessgerät, das AQ6151B von Yokogawa.

Michelson-Interferometer misst die Wellenlänge

Das Gerät verwendet ein Michelson-Interferometer, das die Wellenlänge sehr genau messen kann. Beim AQ6151B liegt die Genauigkeit bei ±0,2 ppm. Das Gerät ist in drei Wellenlängenbereichen erhältlich, wobei die Aristarchos-Installation die Wide-Range-Version verwendet, die Wellenlängen von 900 nm bis 1700 nm abdeckt.

Die AQ6150-Serie erfasst Messungen innerhalb von 0,2 Sekunden, um sie zu analysieren und an einen PC zu übertragen. Neben der hohen Genauigkeit bietet die AQ6150-Serie die gleichzeitige Messung von bis zu 1.024 Wellenlängen und verarbeitet Eingangssignalleistungen von bis zu -40 dBm. Der Spektrumanalysator verfügt über eine integrierte Analysefunktion. Damit ist eine Programmierung nicht notwendig.

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