Sep 18, 2019 By Team YoungWonks *
Wie funktioniert Satellitenkommunikation? Angesichts der Tatsache, dass Satelliten heute unter anderem zur Kommunikation eingesetzt werden, ist dies eine zunehmend relevante Frage. Das bringt uns zum Thema unseres neuesten Blogs. Aber bevor wir uns ansehen, wie Satelliten uns helfen, über große Entfernungen zu kommunizieren, fangen wir am Anfang an.
Was ist ein Satellit?
Ein Satellit ist im Grunde jedes Objekt, das sich um ein anderes Objekt im Weltraum dreht (oder mit anderen Worten umkreist). Einige Satelliten sind natürlich, während andere künstlich (künstlich) sind. Der Mond ist ein Beispiel für einen natürlichen Satelliten, der die Erde umkreist. Im Sonnensystem gibt es sechs planetarische Satellitensysteme mit 185 bekannten natürlichen Satelliten.
Heute bezieht sich der Begriff Satellit typischerweise auf künstliche Objekte, die im Weltraum geflogen sind. Ähnlich wie ihre natürlichen Gegenstücke umkreisen diese einen Planeten und der Hauptunterschied besteht darin, dass sie absichtlich in die Umlaufbahn gebracht wurden. Sputnik 1 ist der erste künstliche Satellit der Welt. Es wurde am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion ins All gebracht. Seitdem wurden rund 8.900 Satelliten aus mehr als 40 Ländern gestartet.
Es ist wichtig zu beachten, dass Satelliten für verschiedene Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel können sie verwendet werden, um Sternkarten und Karten von Planetenoberflächen zu erstellen und auch Bilder von Planeten aufzunehmen, auf die sie geschossen werden. Gängige Typen sind militärische und zivile Erdbeobachtungssatelliten, Kommunikationssatelliten, Navigationssatelliten, Wettersatelliten und Weltraumteleskope. Satelliten sind in der Regel halbunabhängige computergesteuerte Systeme. Satellitensubsysteme erfüllen viele Aufgaben wie Stromerzeugung, Wärmesteuerung, Telemetrie usw. Tatsächlich sind Raumstationen und menschliche Raumfahrzeuge im Orbit auch Satelliten. Satellitenbahnen unterscheiden sich stark, abhängig vom Zweck des Satelliten, und werden auf verschiedene Arten klassifiziert. Bekannte (überlappende) Klassen umfassen niedrige Erdumlaufbahn, polare Umlaufbahn und geostationäre Umlaufbahn.
Wie werden diese Satelliten ins All gebracht? Dies geschieht mit einer Trägerrakete, im Grunde einer Rakete, die den Satelliten in die Umlaufbahn bringt. Meistens hebt die Rakete von einer Startrampe an Land ab, aber es gibt einige, die von einem U-Boot oder einer mobilen maritimen Plattform oder an Bord eines Flugzeugs auf See gestartet wurden.
In diesem Blog werden wir uns die Kommunikationssatelliten genauer ansehen. Sie werden so genannt, weil sie für Kommunikationszwecke verwendet werden.
Was ist ein Kommunikationssatellit?Ein Kommunikationssatellit ist ein künstlicher Satellit, der Funktelekommunikationssignale über einen Transponder weiterleitet und verstärkt. Es schafft im Grunde einen Kommunikationskanal zwischen einem Quellsender und einem Empfänger an verschiedenen Orten auf der Erde. Kommunikationssatelliten werden für Fernsehen, Telefon, Radio, Internet und militärische Anwendungen verwendet. Derzeit befinden sich 2.134 Kommunikationssatelliten in der Erdumlaufbahn, zu denen sowohl private als auch staatliche Organisationen gehören. Mehrere befinden sich in einer geostationären Umlaufbahn 22.236 Meilen (35.785 km) über dem Äquator, so dass der Satellit am selben Punkt am Himmel stationär erscheint. Die Umlaufzeit dieser Satelliten entspricht der Rotationsrate der Erde, wodurch die Satellitenschüsselantennen von Bodenstationen dauerhaft auf diesen Punkt gerichtet werden können. Da die hochfrequenten Funkwellen, die für Telekommunikationsverbindungen verwendet werden, durch die Sichtlinie reisen, werden sie durch die Kurve der Erde behindert. Diese Kommunikationssatelliten leiten das Signal um die Erdkurve weiter und ermöglichen so die Kommunikation zwischen weit entfernten geografischen Punkten. Kommunikationssatelliten verwenden eine breite Palette von Radio- und Mikrowellenfrequenzen. Um Signalstörungen zu vermeiden, haben internationale Organisationen Vorschriften, die angeben, welche Frequenzbereiche (oder Bänder) bestimmte Organisationen verwenden dürfen. Diese Zuweisung von Bändern verringert die Wahrscheinlichkeit von Signalstörungen.
Satellitenbahnen
Satelliten können nach ihren Umlaufbahnen klassifiziert werden. Wie bereits erwähnt, sind viele geostationäre Satelliten, da sie eine geostationäre Umlaufbahn (GEO) haben, die 22.236 Meilen (35.785 km) von der Erdoberfläche entfernt ist. Hier scheint sich der Satellit in der gleichen Position am Himmel zu befinden, wenn er von Bodenbeobachtern betrachtet wird. Hier müssen Bodenantennen den Satelliten also nicht über den Himmel verfolgen. Mittlere Erdumlaufbahn (MEO) Satelliten sind diejenigen, die näher an der Erde sind; ihre Umlaufhöhen variieren von 2.000 bis 36.000 Kilometer (1.200 bis 22.400 Meilen) über der Erde. Die Region unterhalb der mittleren Umlaufbahnen liegt etwa 160 bis 2.000 Kilometer (99 bis 1.243 Meilen) über der Erde und wird als Low Earth Orbit (LEO) bezeichnet. Da MEO- und LEO-Satelliten die Erde schneller umkreisen, sind sie am Himmel an einem festen Punkt auf der Erde nicht ständig sichtbar. Stattdessen scheinen sie den Himmel zu überqueren und „unterzugehen“, wenn sie hinter die Erde gehen. Dies bedeutet, dass für die Bereitstellung kontinuierlicher Kommunikationsdienste mit diesen Satelliten mit niedrigerer Umlaufbahn eine größere Anzahl von Satelliten erforderlich wäre, wodurch sichergestellt wird, dass sich mindestens einer von ihnen immer am Himmel befindet, um die Übertragung von Kommunikationssignalen zu erleichtern. Es ist aber auch wichtig zu beachten, dass ihre Signale aufgrund ihrer relativ kürzeren Entfernung zur Erde viel stärker sind.
Satellitenkonstellationen
Eine Gruppe von Satelliten, die zusammenarbeiten, wird als Satellitenkonstellation bezeichnet. Zwei solcher Konstellationen, die Satellitentelefondienste (hauptsächlich in entlegene Gebiete) anbieten sollen, sind die Iridium- und Globalstar-Systeme. Das Iridium-System hat 66 Satelliten. Es ist heute auch möglich, eine diskontinuierliche Abdeckung unter Verwendung eines Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn bereitzustellen, der Daten speichern kann, die beim Überfliegen eines Teils der Erde empfangen und später beim Überfliegen eines anderen Teils übertragen werden. Das Kaskadensystem, das vom kanadischen Kommunikationssatelliten CASSIOPE verwendet wird, ist ein treffendes Beispiel.
Aufstieg der Kommunikationssatelliten
Sputnik 1 war der erste künstliche Erdsatellit der Welt; Es wurde am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion in die Umlaufbahn gebracht. Zu dieser Zeit war es mit einem Bordfunksender ausgestattet, der auf zwei Frequenzen arbeitete: 20,005 und 40,002 MHz. Sputnik 1 wurde als wichtiger Schritt in der Erforschung des Weltraums und der Raketenentwicklung gestartet.
Das heißt, es wurde nicht in die Umlaufbahn gebracht, um Daten von einem Punkt auf der Erde zu einem anderen zu senden. Der erste Satellit, der die Kommunikation weiterleitete, war Pioneer 1, eine beabsichtigte Mondsonde. Das Raumschiff schaffte es auf halbem Weg zum Mond und flog hoch genug, um das Proof-of-Concept-Relais der Telemetrie auf der ganzen Welt durchzuführen: zuerst von Cape Canaveral nach Manchester, England; dann von Hawaii nach Cape Canaveral; und schließlich auf der ganzen Welt von Hawaii nach Manchester.
Anwendungen/ Verwendungen von Kommunikationssatelliten
1. Satellitentelefone:
Sie sind der erste und historisch wichtigste Einsatz von Kommunikationssatelliten. Das öffentliche Festnetz führt Telefongespräche von Festnetztelefonen zu einer Erdstation, von wo aus sie an einen geostationären Satelliten übertragen werden. Der Downlink folgt einem analogen Pfad. Mit erheblichen Verbesserungen bei Unterseekabeln durch den Einsatz von Glasfasern werden Satelliten nicht mehr in gleichem Umfang für die Festnetztelefonie eingesetzt. Aber das bedeutet nicht, dass Satelliten nicht mehr für die Kommunikation verwendet werden. Abgelegene Orte wie Ascension Island, St. Helena, Diego Garcia und Osterinsel haben keine Seekabel in Betrieb, so dass diese Bereiche Satellitentelefone benötigen. Satellitenkommunikation wird auch in Kontinenten und Ländern benötigt, in denen Festnetztelekommunikation selten bis gar nicht vorhanden ist – beispielsweise in der Antarktis, Grönland, großen Regionen Südamerikas, Afrikas, Kanadas, Chinas, Russlands und Australiens. Andere Landnutzung für Satellitentelefone sind Schiffe auf See, Bohrinseln auf See, Back-up für Krankenhäuser, Militär und Erholung. Typischerweise funktionieren Satellitentelefonsysteme über ein lokales Telefonsystem in einem isolierten Gebiet mit einer Verbindung zum Telefonsystem in einem Hauptlandgebiet. Es gibt auch Dienste, die ein Funksignal an eine Telefonanlage senden. In diesem Beispiel kann fast jeder Satellitentyp verwendet werden. Satellitentelefone erreichen direkt eine Konstellation von geostationären oder erdnahen Satelliten. Anrufe werden dann an einen Satellitenteleport weitergeleitet, der an das öffentliche Telefonnetz angeschlossen ist.
2. Satellitenfernsehen:Satellitenfernsehen ist, wenn Fernsehprogramme an Zuschauer geliefert werden, indem sie von einem Kommunikationssatelliten, der die Erde umkreist, direkt an den Standort des Zuschauers weitergeleitet werden. Die Signale werden über eine Parabolantenne im Freien empfangen, die als Satellitenschüssel bezeichnet wird, und einen rauscharmen Block-Abwärtswandler. Ein Satellitenempfänger – entweder eine externe Set-Top-Box oder ein eingebauter Fernsehtuner – dekodiert das gewünschte Fernsehprogramm für die Anzeige auf einem Fernsehgerät. Satellitenfernsehen bietet eine breite Palette von Kanälen und Dienstleistungen. Es ist das einzige Fernsehen in vielen abgelegenen Gebieten, die kein terrestrisches Fernsehen oder Kabelfernsehen haben. Moderne Systeme Signale werden von einem Kommunikationssatelliten auf den Ku-Band-Frequenzen (12-18 GHz) weitergegeben, die nur eine kleine Schale von weniger als einem Meter Durchmesser benötigen. Im Gegensatz zu frühen Systemen, die analoge Signale verwendeten, verwenden moderne digitale Signale, die dank der stark verbesserten spektralen Effizienz des digitalen Rundfunks die Übertragung des modernen Fernsehstandards High-Definition-Fernsehen ermöglichen. Ab 2018 sind die einzigen Kanäle, die auf Satellitenübertragung in analogen Signalen angewiesen sind, Brasiliens Star One C2 und der amerikanische Kanal C-SPAN auf AMC-11. Für die beiden Typen sind unterschiedliche Empfänger erforderlich. Einige Übertragungen und Kanäle sind unverschlüsselt und somit Free-to-Air oder Free-to-View. Andere Kanäle werden verschlüsselt übertragen (Pay-TV), Der Zuschauer muss sich anmelden und eine monatliche Gebühr zahlen, um die Sendung zu erhalten. Satelliten-TV-Verbrauch hat jetzt viel weniger Abnehmer aufgrund der Schnur-Schneid-Trend, wo die Menschen lieber Internet-basierte Streaming-Fernsehen zu sehen.
3. Satellitenradio:Ein Satellitenradio oder Abonnementradio (SR) ist im Grunde ein digitales Funksignal, das von einem Kommunikationssatelliten weitergeleitet wird und typischerweise einen größeren geografischen Bereich abdeckt als terrestrische Funksignale. Satellitenradio bietet Audio-Broadcast-Dienste in einigen Ländern, darunter die USA. Mit mobilen Diensten wie SiriusXM und Worldspace können Hörer über den Kontinent reisen und überall dasselbe Audioprogramm hören. Dienste wie Music Choice oder Muzaks über Satellit bereitgestellte Inhalte benötigen einen Empfänger mit festem Standort und eine Satellitenantenne. In jedem Fall sollte die Antenne freie Sicht auf die Satelliten haben. An Orten, an denen hohe Gebäude, Brücken oder sogar Parkhäuser das Signal verdecken, können Repeater verwendet werden, um das Signal den Zuhörern zur Verfügung zu stellen.
4. Amateurfunksatellit:
Amateurfunker nutzen Amateursatelliten, die speziell für den Amateurfunkverkehr geschaffen wurden. Die meisten dieser Satelliten fungieren als weltraumgestützte Repeater und werden im Allgemeinen von Amateuren verwendet, die mit UHF- oder VHF-Funkgeräten und stark gerichteten Antennen wie Yagis oder Dish-Antennen ausgestattet sind. Aufgrund der Startkosten werden die meisten Amateursatelliten in niedrige Erdumlaufbahnen gestartet und sind so konzipiert, dass sie nur wenige kurze Kontakte zu einem bestimmten Zeitpunkt bewältigen können.
5. Satelliten-Internet:
Satelliten-Internetzugang bezieht sich auf den Internetzugang, der durch Kommunikationssatelliten ermöglicht wird. Heutzutage wird ein Satelliten-Internetdienst für Verbraucher in der Regel über geostationäre Satelliten angeboten, die relativ hohe Datengeschwindigkeiten bereitstellen können, insbesondere dank neuerer Satelliten, die das Ku-Band verwenden, um nachgelagerte Datengeschwindigkeiten von bis zu 506 Mbit / s zu erreichen. Nach den 1990er Jahren wurde die Satellitenkommunikationstechnologie als Mittel zur Verbindung mit dem Internet über Breitbanddatenverbindungen eingesetzt. Dies ist besonders nützlich für Menschen in abgelegenen Gebieten, die keine Breitbandverbindung nutzen können.
6. Satelliten für militärische Zwecke:
Kommunikationssatelliten werden auch für militärische Kommunikationsanwendungen wie globale Befehls- und Kontrollsysteme verwendet. Militärische Systeme, die Kommunikationssatelliten verwenden, sind die MILSTAR, die DSCS und die FLTSATCOM der Vereinigten Staaten, NATO-Satelliten, britische Satelliten (zum Beispiel Skynet) und Satelliten der ehemaligen Sowjetunion. Auch Indien hat einen ersten militärischen Kommunikationssatelliten GSAT-7, dessen Transponder in UHF-, F-, C- und Ku-Band-Bändern arbeiten. Militärsatelliten arbeiten normalerweise in den Frequenzbändern UHF, SHF oder EHF (auch als Ka-Band bekannt).
Satellitenkommunikation heute
Seit dem Start des ersten Satelliten Sputnik 1 wurden rund 8.900 Satelliten aus mehr als 40 Ländern gestartet. Laut einer Schätzung von 2018 befinden sich 5.000 im Orbit. Von diesen 5.000 befinden sich 63% der operativen Satelliten im erdnahen Orbit, 6% im mittleren Orbit (bei 20.000 km), 29% im geostationären Orbit (bei 36.000 km) und die restlichen 2% im elliptischen Orbit. Einige große Raumstationen wurden tatsächlich in Teilen gestartet und im Orbit zusammengebaut. Es ist wichtig anzumerken, dass von den 5.000 Satelliten im Orbit im Jahr 2018 nur 1.900 in Betrieb waren, während der Rest inzwischen zu Weltraummüll geworden ist.
Tatsächlich ist die durch diesen Weltraummüll verursachte Weltraumbelästigung heute ein großes Problem. Was ist Weltraumschrott? Weltraummüll bezieht sich auf die natürlichen Trümmer im Sonnensystem und umfasst daher Asteroiden, Kometen und Meteoroiden. Aber es ist nicht mehr nur auf diese Körper beschränkt. Seit dem Beginn des NASA Orbital Debris-Programms im Jahr 1979 bezieht sich der Begriff auch auf Weltraummüll oder Weltraummüll, der aus der Masse nicht mehr existierender, künstlich erzeugter Objekte im Weltraum, insbesondere in der Erdumlaufbahn, erzeugt wird. Dazu gehören alte Satelliten und verbrauchte Raketenstufen sowie die Fragmente aus deren Zerfall und Kollisionen. Bis Dezember 2016 haben fünf Satellitenkollisionen Weltraummüll erzeugt. Weltraummüll wird auch als Weltraummüll, Weltraumschrott, Weltraumschrott oder Orbitalschrott bezeichnet.
Heute werden mehrere Schritte unternommen, um mit solchen Trümmern umzugehen. USA. hat eine Reihe von Standardpraktiken für zivile (NASA) und militärische (DoD und USAF) Orbital-Debris Mitigation, ähnlich wie die Europäische Weltraumorganisation. Im Jahr 2007 begann die Internationale Organisation für Normung (ISO) mit der Ausarbeitung eines internationalen Standards zur Eindämmung von Weltraumschrott. Deutschland und Frankreich haben Anleihen zum Schutz von Eigentum vor Trümmerschäden hinterlegt.Ein weiterer Ansatz zur Eindämmung von Trümmern besteht darin, die Missionsarchitektur so zu gestalten, dass die zweite Stufe der Rakete immer in einer elliptischen geozentrischen Umlaufbahn mit einem niedrigen Perigäum verbleibt, wodurch ein schneller Orbitalzerfall sichergestellt und langfristige Orbitalabfälle von verbrauchten Raketenkörpern vermieden werden. Die externe Entfernung von Weltraummüll hat nicht viele Abnehmer gesehen, vor allem, weil sich herausgestellt hat, dass sie nicht kostengünstig ist.
Im April 2018 startete die Mission RemoveDEBRIS. Diese Mission zielt darauf ab, die Effizienz mehrerer Technologien zur aktiven Trümmerentfernung (Active Debris Removal, ADR) an Scheinzielen im erdnahen Orbit zu testen. Dazu werden mehrere geplante Experimente durchgeführt und die Plattform ist dementsprechend mit einem Netz, einer Harpune, einem Laser-Entfernungsmessgerät, einem Schleppsegel und zwei CubeSats (Miniatur-Forschungssatelliten) ausgestattet. RemoveDEBRIS wurde im Rahmen der CRS-14-Mission an Bord der Raumsonde SpaceX Dragon Ii gestartet und erreichte am 4. April 2018 die Internationale Raumstation (ISS).