Satellitentechnik

Satellitensysteme

Satelliten besitzen Eigenschaften, die andere Kommunikationsmittel nicht ohne weiteres aufweisen. Da sehr große Gebiete der Erde von einem Satelliten ausgeleuchtet werden können, kann ein Satellit den Sternpunkt eines Nachrichtennetzes bilden, das viele Teilnehmer miteinander verbindet, die geographisch weit voneinander entfernt sein können. Satelliten werden aber auch zum Überwachen der Wetterbedingungen oder zu Such- und Rettungsaktionen verwendet.

Intelsat     international-telecommunications-satellite

Die Intelsat-Organisation versucht die Unzahl technischer und administrativer Probleme, die mit dem weltweiten Nachrichtennetz verbunden sind handzuhaben. Heute werden 179 Staaten durch dieses weltweite Nachrichtennetz versorgt. Angefangen hat alles mit einem Einzelnen Satelliten, Early Bird (Intelsat 1), der 1965 in die Umlaufbahn eingeschossen wurde und mit 480 Sprachkanälen ausgestattet war. Der Satellit Intelsat 6 ist in der Lage 80.000 Sprachkanäle zu übertragen. Für die internationalen Dienste sind drei Satelliten über dem Atlantik, zwei über dem Indischen Ozean und einer über dem Pazifik im Einsatz, zusammen mit jeweils einem als Ersatz umlaufenden Satelliten.

Domsat    domestic-satellite

Domsat ist das Regionalsatellitensystem der Vereinigten Staaten. Diese Regionalsatelliten werden zur Sprach-, Daten- und Videoübertragung innerhalb eines Staates verwendet und befinden sich alle auf geostationären Umlaufbahnen, in einer Höhe von ca. 36.000 km. Der Minimalabstand der Satelliten zueinander wurde von der FCC (Federal Communications Commission) für geostationäre Satelliten im 4/6GHz Bereich mit 2° festgelegt, für Satelliten im 12/14GHz Bereich mit 1,5°, bezogen auf den Erdmittelpunkt. Es ist klar, daß bei zu geringen Abständen zwischen den Satelliten die Störbeeinflussung zwischen den Systemen zunimmt.

Bild 1    Komponenten eines Satellitendirektempfangs

Satelliten auf Polumlaufbahnen

Satelliten auf Polumlaufbahnen haben die Eigenschaft, daß sie die Regionen des Nord- und des Südpols abdecken können. In Polumlaufbahnen befinden sich sowjetische Nachrichtensatelliten, die in stark elliptischen Bahnen die nördlichen Regionen der ehem. Sowjetunion abdecken, oder auch Wettersatelliten der U.S.A., die in relativ geringer Höhe (800-900km) in kreisförmigen Umlaufbahnen die Pole überfliegen. Im Gegensatz zur geostationären Umlaufbahn, die über dem Aquator verläuft, gibt es unendlich viele Polumlaufbahnen.

Die NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) leitet in den U.S.A. das Programm für eine Anzahl von Satelliten, die allgemein unter der Bezeichnung Tiros-N-Reihe bekannt sind. Tiros steht dabei für Television and Infrared Observational Satellite. An Bord dieses Satelliten sind Meßgeräte zur Erfassung verschiedenster wetterbeeinflußender Faktoren. Zusätzlich werden solche Satelliten auch zur Auffindung von in Not geratenen Schiffen und Flugzeugen benutzt und ist unter der Bezeichnung SARSAT (Search and Rescue Satellite) bekannt.

Frequenzbereiche

Die beiden derzeit benutzten Frequenzbereiche sind das 4/6GHz Band (C-Band) und das 12/14GHz Band (Ku-Band). Im C-Band sind Direktübertragungen aufgrund von Störprobleme nicht durchführbar, im Ku-Band ist die Einführung geplant. Die Direktübertrgung ist in Bild 1 dargestellt. Das Fernsehsignal wird über eine terrestrische Verbindung an der Erdefunkstelle angeliefert. Diese sendet das Signal auf einem RF-Träger mit der Frequenz von 14GHz in einem gebündelten Strahl zum Satelliten, der seinerseitsdas empfangene Signal auf einer Frequenz von 12GHz in einem weit geöffneten Strahl wieder abstrahlt, wodurch viele Einzelempfänger das Signal im ausgeleuchteten Gebiet des Satelliten empfangen können.

Das Weltraumsegment

Ein Satellitenübertragungssystem kann grob in zwei Teile unterteilt werden, daß Bodensegment und das Weltraumsegment. Das Weltraumsegment beinhaltet selbstverständlich den Satelliten, aber auch diejenigen Einrichtungen auf dem Boden, die notwendig sind, um die Einsatzfähigkeit des Satelliten aufrecht zu erhalten, bezeichnet als Telemetrie- und Telekommandountersystem TT&C (tracking, telemetry and command). Für viele Nachrichtennetze ist es durchaus üblich eine Bodenstation einzig für TT&C - Aufgaben zu betreiben.

Die Ausrüstung eines Satelliten kann ebenfalls entsprechend ihrer Funktion unterteilt werden. Die Nutzlast (payload) umfaßt den Teil der Ausrüstung, der die nachrichtentechnischen Dienste leistet. Die Plattform zur Aufnahme der Nutzlast sowie die verschiedensten Untersysteme zur Stromversorgung, Bahn- und Lageregelung, Temperaturregelung und die TT&C Funktionen zur Bedienung der Nutzlast wird als Bus bezeichnet.

Der Transponder bildet das Verbindungsglied zwischen Sende- und Empfangsantenne. Neben dem Antennenuntersystem stellt der Transponder einen Hauptbestandteil der Nutzlast dar.

Transponder

Ein Transponder besteht aus einer Anzahl hintereinandergeschalteter Funktionseinheiten, die einen Übertragungskanal zwischen Empfangs- und Sendeantenne des Satelliten bilden. Manche Funktionseinheiten stehen der gemeinsamen Benutzung für eine Anzahl von Transpondern zur Verfügung.

Bevor die verschiedenen Bestandteile eines Transponders beschrieben werden, soll kurz ein Überblick über die Frequenzbelegung eines typischen C-Band-Nachrichtensatelliten gegeben werden. Die zugewiesene Bandbreite für das C-Band beträgt 500MHz. Für den Einsatz mehrerer Transponder ist diese Bandbreite in mehrere Unterbänder aufgeteilt. Die typische Transponderbandbreite beträgt 36MHz, wobei 4MHz zwischen den Transpondern als Schutz liegen müssen. Somit können 12 Transponder im C-Band arbeiten. Durch Polarisationsentkopplung kann diese Zahl verdoppelt werden. Die Polarisationsentkopplung basiert auf der Tatsache, daß zwei Träger derselben Frequenz durch orthogonale Polari-sation von darauf abgestimmten Empfangsantennen voneinander getrennt werden können. Durch lineare Polarisation können horizontal und vertikal polarisierte Träger entkoppelt werden, mit Zirkularpolarisation rechts- und linkszirkulare Träger. Wegen der Frequenzüberlappung orthogonal polarisierter Träger wird diese Technik als Frequenzmehrfachausnutzung (frequency reuse) bezeichnet. Bild 2 zeigt einen Ausschnitt eines Frequenz- und Polarisationsplans für Nachrichten Satelliten im C-Band.

Bild 2 Ausschnitt aus einem Frequenz- und Polarisatonsplan für eine Aufwärtsstrecke (uplink)

Die Mehrfachausnutzung von Frequenzen kann auch durch scharf bündelnde Antennen (spot-beam-antennas) geschehen. Kombiniert mit orthogonal polarisierten Trägern kann so die tatsächliche Bandbreite von 500MHz auf 2000MHz erhöht werden. Bild 3 zeigt das Kanalschema einer Polarisationsrichtung für 12 Transponder.

Bild 3    Transponderkanäle eines Satelliten

Das Frequenzband der Aufwärtsrichtung reicht von 5,925GHz bis 6,425GHz. Die Träger werden von einer oder mehreren Antennen empfangen und besitzen alle die selbe Polarisation. Dem gemeinsamen Empfänger ist ein Eingangsbandfilter vorgeschalten mit einer Bandbreite von 500MHz, um Rauschsignale und Interferenzen auszufiltern. Die modulierten Träger innerhalb der 500MHz werden in das Frequenzband der Abwärtsrichtung mit einem Mischer umgesetzt, deren Bandbreite ebenfalls 500MHz aufweist und zwischen 3,7GHz und 4,2GHz liegt. Die nachgeschaltenen Weichen spalten das umgesetzte Signal in die Frequenzbereiche der einzelnen Transponder auf. Ein Transponder kann für einen einzelnen Träger ausgelegt sein, dem ein Fernsehsignal aufmoduliert ist, oder auch für mehrere unterschiedliche Träger, von denen jeder mit einem Fernsprechsignal oder anderen Basisbandsignalen moduliert ist.

Breitbandempfänger

Der Breitbandempfänger ist doppelt ausgeführt, damit im Fehlerfall automatisch auf einen zweiten Empfänger umgeschaltet werden kann. Eine solche Kombination aus zwei Empfängern wird als redundanter Empfänger bezeichnet, was bedeuten soll, daß trotz des Vorhandensein von zwei Empfängern nur einer davon benutzt wird (siehe Bild 4).

Der rauscharme Vorverstärker (LNA, low noise amplifier) bildet die erste Stufe des Empfängers. Zur Bestimmung der Rauschgrößen ist es üblich, alle Rauschpegel auf den Eingang des LNA zu beziehen, wobei das gesamte Empfängerrauschen durch die äquivalente Rauschtemperatur angegeben wird. Diese Rauschtemperatur eines guten Empfängers wird meist durch den LNA bestimmt, für den 100K ein typischer Wert ist.

Der Vorverstärker speist die Mischstufe, welche das Signal mit einem im Empfänger erzeugten Oszillatorsignal von 2,225GHz abwärtsmischt, wobei vom Oszillator hohe Stabilität und geringes Phasenrauschen verlangt sind. Der Mischstufe ist ein zweiter nacheschaltet, durch den eine gesamte Empfängerverstärkung von 60dB erreicht wird. Die Gesamtverstärkung ist also aufgeteilt auf den LNA, der bei 6GHz arbeitet und den zweiten Verstärker, der bei 4GHz arbeitet. Würde die gesamte Verstärkung bei einer Frequenz erfolgen, könnte dies zu Eigenschwingungen der gesamten Baugruppe führen.

Für den Empfänger werden aktive Halbleiterbauelemente benutzt. In einigen 6/4GHz Transpondern werden Tunneldiodenverstärker für den LNA eingesetzt. In 14/12GHz Transpondern arbeiten Tunneldioden in parametrischen Verstärkern im 14GHz Bereich. Es ist aber auch schon möglich FET-Verstärker für beide Bänder zu bauen, mit gleichen oder besseren Daten. In den Mischstufen werden Diodenmischer eingesetzt. Die nachfolgende Verstärkerstufe kann für den 4GHz Bereich mit bipolaren Transistoren und im 12GHz Bereich mit FETs aufgebaut werden. FETs können aber auch für beide Bereiche eingesetzt werden.

Eingangsdemultiplexer

Das Eingangssignal, 3,7GHz bis 4,2GHz, wird durch den Demultiplexer in die Frequenzbänder der Transponder aufgeteilt. Die Kanäle sind normalerweise in Gruppen geradzahliger und ungeradzahliger Kanalnummern zusammengefaßt, wodurch sich der Frequenzabstand nebeneinanderliegender Kanäle vergrößert, was die Nachbarbeeinflussung reduziert. Über einen Leistungsteiler (power splitter) wird das Ausgangssignal des Empfängers auf zwei Zirkulatorketten verteilt. Das Signal liegt an jedem Zirkuator an. Nachfolgende Kanalfilter Filtern das jeweilige Frequenzband heraus, welches eine Bandbreite von 36MHz besitzt. Die beträchtliche Dämpfung des Demultiplexer wird durch die Kanalverstärkung kompensiert.

Bild 4 Breitbandempfänger Bild 5 Eingangsdemultiplexer

Leistungsverstärker

Die notwendige Ausgangsleistung jedes Transponderkanals wird durch  separate Leistungsverstärker erzeugt. Jedem Leistungsverstärker ist ein Eingangsabschwächer vorgeschalten, der zur Einstellung des Eingangspegels eines jeden Verstärkers auf einen bestimmten Wert dient. Der Abschwächer besitzt eine Festeinstellung und eine veränderbare Einstellung. Die Festeinstellung dient zum Abgleich des Abschwächers auf einen bestimmten Transponder. Dieser Abgleich erfolgt bei der Fertigung und stellt die nominale Grunddämpfung für jeden Transponder ein. Die veränderbare Einstellung dient zur Kompensation von Verlusten durch Alterung der Baugruppe. Daß diese Einstellung während des Einsatzes des Satelliten erfolgen muß, unterliegt die Kontrolle darüber der TT&C Erdefunkstelle.

Zur Erzeugung der notwendigen Ausgangsleistung werden als Senderstufe des Transponders vielfach Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA, traveling wave tube amplifier) eingesetzt. Der Vorteil einer Wanderfeldröhre liegt in ihrer Verstärkung über einen großen Frequenzbereich.

In Nachrichtensystemen für Satelliten wird gewöhnlich als Modulationsverfahren die Frequenzmodulation benutzt. Eine ungewollte Modulation der Amplitude kann jedoch durch die Signalfilterung noch vor dem Eingang zur Wanderfeldröhre verursacht werden. Eine AM/PM Umsetzung setzt die ungewollte AM in eine Phasenmodulation um, die sich später als Rauschen auf dem frequenzmodulierten Träger auswirkt. Wird nur ein einzelner Träger verwendet, kann der Wanderfeldröhre ein Begrenzer vorgeschaltet werden, der den Träger auf eine kleine Amplitude begrenzt und damit die AM entfernt.

Die Wanderfeldröhre kann auch zwei oder mehrere Träger gleichzeitig verstärken, was als Mehrfachbetrieb bezeichnet wird. Allerdings führt die nichtlineare Übertragungskennlinie der Wanderfeldröhre zu Intermodulationsverzerrungen. Es entstehen Frequenzen die auf die Frequenzen benachbarter Träger fallen, wodurch es zu Rauschen auf dem gesamten Transponder kommt. Die Wanderfeldröhre muß daher im annähernd linearen Bereich der Kennlinie betrieben werden, wodurch die Intermodulationsverzerrungen kleiner werden, die Eingangsleistung jedoch auch vermindert werden muß. Werden mehrere Träger verstärkt, so ist die Ausgangsleistung kleiner als wenn nur ein Träger verstärkt werden würde.

Bild 6 Antennuntersystem des Intelsat VI Satelliten

Antennenuntersystem

Die an Bord des Satelliten mitgeführten Antennen dienen dem Empfang von Signalen der Aufwärtsstrecke (uplink) und dem Abstrahlen von Signalen in der Abwärtsstrecke (downlink). Es werden dipolähnliche Antennen mit omnidirektionalen Charakteristik verwendet, sowie Antennen mit starker Bündelung, für die Nachrichtenübertragung und die Übertragung von Fernsehsignalen. Die Strahlformung bündelnder Antennen wird in der Regel durch Reflektoren erreicht, wobei Parabolreflektoren am häufigsten verwendet werden. Ein vergrößeter Reflektordurchmesser, oder eine kleinere Wellenlänge erhöhen den Antennengewinn und die Strahlbündelung. Die größten Reflektoren werden für das C-Band (6/4GHz Band) benötigt. Im Ku-Band können vergleichbare Zahlenwerte für den Gewinn und die Strahlbreite mit wesentlich kleineren Reflektoren erreicht werden.

Die Speisung der in Bild 6 dargestellten Reflektoren, die zur Ausleuchtung ganzer Hemisphären dienen, erfolgt durch Hornstrahlergruppen, die durch unterschiedliche Anregung den Strahl formen. Einfache Hornstrahler im 6/4GHz Bereich erzeugen einen schwach gebündelten Strahl für die Ausleuchtung großer Flächen, wobei der Strahl ohne den Einsatz von Reflektoren direkt auf die Erde gerichtet ist. Für die Telemetrie- und Telekommandosignale (TC) wird ein Bikonus verwendet.

Für das Aussenden und Empfangen von Trägern gleicher Polarisation kann ein einzelnes Speisehorn benutzt werden. Die Sende- und Empfangssignale werden durch ein Polarisationsfilter (diplexer) getrennt.

Das Bodensegment

Der Teil der Satellitenübertragungsstrecke auf der Erde umfasst Sende- und Empfangsstationen. Die einfachsten Systeme sind die Direktfernsehempfänger (TVRO, TV receive-only system) für den Heimbetrieb, während für das internationale Nachrichtenübertragungsnetz komplexe Erdefunktstellen benötigt werden. Des weiteren werden Stationen auf Schiffen und Flugzeugen betrieben. Bodenstationen die nur der logistischen Unterstützung des Satelliten dienen, wie das TT&C, werden als Teil des Weltraumsegments angesehen.

Erdefunktstelle

Erdefunktstellen können sowohl als Sende- als auch als Empfangsanlage dienen und werden für die Nachrichtenübertragung und das Satellitenfernsehen benötigt. Je nach Verwendungszweck ergeben sich beträchtliche Unterschiede zwischen den Stationen. In Bild 7 ist eine redunant ausgeführte Station mit den grundlegenden Bestanteilen dargestellt.

Bild 7 Grundlegende Baugruppe einer redundanten Erdefunkstelle

Da die Satellitenübertragung unter Umständen eine unterschiedliche Gruppierung der Kanäle verlangt, ist ein weiterer Teil notwendig, der die Formatänderungen durchführt. Danach wird das Signal auf einen ZF-Träger mit 70MHz aufmoduliert. Für jeden RF-Träger wird eine eigene ZF-Stufe benötigt. Nach dem ZF Verstärker wird das Signal auf den entsprechenden RF-Träger umgesetzt. Das Sendesignal kann aus mehreren Trägern bestehen die, trotz unterschiedlicher Frequenzen, im allgemeinen durch ihre nominale Frequenz (als 6GHz od. 14GHz Träger) angegeben werden.

Auf der Empfängerseite wird das ankommende Breitbandsignal durch einen LNA verstärkt und durch ein Aufteilungsnetzwerk in die einzelnen Träger aufgespalten. Nach der Umsetzung auf die ZF Ebene wird das Signal wieder auf die Norm terrestrischer Netze angepasst.

Obwohl diese Antennen auf gestationäre Satelliten ausgerichtet sind, muß mit einem Positionsdrift des Satelliten gerechet werden. Aufgrund des Positionsdrift und der stark gebündelten Strahlcharakteristik großer Antennen muß die Möglichkeit bestehen die Antennen dem Satelliten ein wenig nachzuführen.

Übertragungsverluste

Eine wichtige Funktion, die bei der Berechnung von Verlusten benötigt wird ist die EIRP (equivalent isotropic radiated power), die durch Multiplikation der zugeführten Sendeleistung mit dem Antennengewinn gebildet wird. Im Hinblick  auf die Bestimmung der Empfangsleistung am Ende einer Übertragungsstrecke kann die EIRP als Eingangsleistung in die Strecke betrachtet werden. Grundsätzlich muß man zwischen konstanten Übertragungsverlusten und Übertragungsverlusten die nur aus der Statistik übertragener Daten abgelesen werden, oder solchen die von Witterungsbedingungen (insbesondere Niederschläge) abhängig sind, unterscheiden.

Freiraumübertragung

Bei der Freiraumübertragung treten jene Leistungsverluste auf, die aus der Ausbreitung des abgestrahlten Strahls resultieren, da nicht die gesamte Leistung auf den Empfänger gebündelt werden kann.

Kopplungsverluste

Zwischen der Empfangsantenne und dem eigentlichen Empfänger treten Kopplungsverluste auf, da die Verbindungsglieder, wie Hohlleiter, Filter und Leistungskoppler, Durchgangsdämpfungen besitzen. Alle diese Dämpfungen werden unter der Bezeichnung Speisedämpfung (receiver feeder loss) zusammengefaßt.

Verluste durch Fehlausrichtung der Antenne

Die Bestmöglichen Bedingungen entstehen bei der Satellitenverbindung durch Ausrichtung der Antennen auf maximalen Gewinn. Verluste durch Fehlausrichtung des Satelliten werden durch eine Reserve aufgefangen. Verluste in der Erdefunktstelle durch ungenaue Ausrichtung werden als Gewinndegration (antenna pointing loss) bezeichnet. Diese Verluste bewegen sich in der Größenordnung von einigen Zehntel dB. Zusätzlich zu den Verlusten durch axiale Fehlausrichtung können Verluste durch ungenaue Ausrichtung auf die Polarisationsrichtung auftreten, doch sind sie genauso klein wie die axialen Verluste, wodurch beide in der Ausrichtungsdämpfung berücksichtigt werden.

Atmosphärische Verluste

In der Erdatmosphäre treten aufgrund von Energieabsorbtion durch atmosphärische Gase ebenfalls Verluste auf und sind frequenzabhängig. Die Kennlinie der Absorbtionsverluste zeigt zwei Spitzen. Die erste Spitze bei 22,3GHz rührt aus der Resonanzerscheinung von Wasserdampf und die zweite Dämpfungsspitze bei 60GHz aus der Resonanzerscheinung des Sauerstoffes.

Ein weiterer Effekt ist die sog. Szintillation. Sie macht sich als Schwund (Fading) bemerkbar. Sie wird durch unterschiedliche Brechzahlen in der Atmosphäre hervorgerufen, die zu einer Bündelung und Aufspreizung der Wellen führt, die dann unterschiedliche Wege durch die Atmosphäre nehmen.

Ionosphärische Effekte

Die freien Elektronen der Ionisphäre sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern sind in Schichten angeordnet. Des weiteren können Elektronenwolken durch die Ionosphäre wandern. Die auftretenden Effekte umfassen die Szintillation, Absorbtion, Dispersion, Anderungen der Einfallsrichtung, Ausbreitungsverzögerungen, Frequenzänderungen und Drehung der Polarisationsebene, wobei die meisten Effekte mit steigender Frequenz abnehmen. Von Bedeutung sind zur die Szintillation und die Drehung der Polarisationsebene.

Auswirkungen des Regens

Regenschauer haben eine Streuung und Absorbtion der Energie einer Mikrowelle zur Folge und haben daher eine Dämpfung der Amplitude zur Folge, wobei die Dämpfung mit steigender Frequenz ebenfalls wächst. Weiters haben Untersuchungen gezeigt, daß bei horizontaler Polarisation die Dämpfung beträchtlich größer ist als bei vertikaler Polarisation.