Vermeidung von Verbindungsabbrüchen bei der Weltraum-Boden-Kommunikation

Im Gegensatz zu herkömmlichen Funkfrequenzsystemen bietet Laserkommunikation (Lasercomm) deutlich höhere Bandbreiten und verbesserte Sicherheit – wodurch sie zu einem wichtigen Ermöglicher für Satellitenmissionen der nächsten Generation und datenintensive Anwendungen wird. Dieser Leistungssprung bringt jedoch neue Verwundbarkeiten mit sich – insbesondere durch die Anfälligkeit optischer Signale gegenüber atmosphärischen Bedingungen. Bereits geringe Störungen, etwa durch Wolken oder Turbulenzen in der Atmosphäre, können die Laserverbindung zwischen Raumfahrzeugen und Bodenstationen erheblich abschwächen oder unterbrechen, was die erfolgreiche Übertragung und Datenintegrität gefährdet.

Die entscheidende Rolle spielen Wolkenprognosen: All‑Sky‑Imager

Das Wetter ist ein entscheidender Faktor für die Etablierung einer erfolgreichen optischen Freiraum-Übertragungsstrecke durch die Atmosphäre. Ein Signalverlust in der Intensität oder Dämpfung kann durch verschiedene Wetterbedingungen wie Starkregen oder Nebel hervorgerufen werden – und Wetter ist insgesamt die Hauptursache für Dämpfung. Durch die Integration fortgeschrittener meteorologischer Daten in operative Abläufe können Teams potenzielle Störungen antizipieren, Downlinks dynamisch planen und optimale Bodenstationsstandorte wählen. Für eine unterbrechungsfreie Raum-zu-Boden-Kommunikation sind präzise Wolkenprognosen für die kommenden Minuten zu einem wichtigen Werkzeug für Missionsplaner und Bodenstationsbetreiber geworden.

Etwa 70 % der Erdoberfläche sind mit Wolken bedeckt – einem wesentlichen Bestandteil der Erdatmosphäre. Die optische Freiraumkommunikation wird von Wolken beeinflusst, da diese im Wesentlichen aus über der Erdoberfläche abgelagertem Wasser bestehen. Die meistgenutzte Wellenlänge (1550 nm) ermöglicht eine gute Durchlässigkeit durch die Atmosphäre. Dennoch wirken sich Wolkenbildung und ‑dichte direkt auf das durch die Atmosphäre verlaufende Lasersignal aus. Die optische Tiefe der Wolken (Cloud Optical Depth, COD) ist der zentrale Parameter zur Beurteilung des Einflusses von Wolken auf optische Freiraumkommunikation von Satelliten zur Erde oder zu/von Flugzeugen. Die COD ist proportional zur flüssigen Wasserdichte der Wolken (kg/m²) und erlaubt eine Abschätzung der Streuungs- und Absorptionseigenschaften basierend auf Wolken­dicke und Partikelgröße.

Die typischen Strahlungseigenschaften der gängigen Wolkentypen können auf verschiedenen Wegen bewertet werden: Globale jährliche Mittelwerte stehen bei verschiedenen Anbietern zur Verfügung, bieten jedoch nur statistische Auswertungen nach Region und Wolkentyp. Satelliten­aufnahmen können ebenfalls genutzt werden, um Wolkendaten in Echtzeit zu gewinnen, was insbesondere bei niedrigschwebenden Wolken von Vorteil ist, die möglicherweise noch außerhalb des Sichtbereichs von All‑Sky‑Imager‑Horizonten liegen. Die genauesten Kurzfristprognosen für Wolkenbewegung und ‑eigenschaften für einen konkreten Standort können jedoch mit einem am Boden installierten All‑Sky‑Imager im Infrarot‑Spektrum gewonnen werden. Reuniwatts Infrarot-Himmelskamera Sky InSight™ liefert kontinuierliche, hochauflösende Wolkenbeobachtungen und ‑prognosen – bei Tag und Nacht. Für die satelliten-zu‑boden Sichtlinien‑Prognose kann es von Vorteil sein, die Vorhersagen eines All‑Sky‑Imagers mit satellitengestützten Prognosen zu kombinieren, da das Sichtfeld des lokal installierten Instruments begrenzt ist (abhängig von tief liegenden Wolken sowie der umgebenden Landschaft).

Abbildung 1: Satellitenbild-Verarbeitung zur Entscheidungsfindung über freie Sichtlinie (Free Line‑of‑Sight). Rote Sterne markieren potenzielle Signal‑Blockierungen durch Wolken, grüne Sterne zeigen freie Sichtlinien an.

Kontaktieren Sie uns, um mehr über Wolkenprognosen für OGS‑Netzwerke zu erfahren.

Reuniwatt ist aktiv an mehreren Projekten zur optischen Freiraumkommunikation beteiligt und liefert Wolkenprognosen für Optical Ground Station‑Netzwerke. Wir haben bereits zwei Webinare zu diesem Thema veranstaltet, die unsere Leser auf Abruf ansehen können:

• Wireless Laser Communication: Don’t let clouds get in the way of success!

  In diesem Webinar diskutieren Reuniwatt, Airbus und Systematic Paris‑Region, wie die Kombination aus FSOC und Wettervorhersagetechnologie den Kommunikationsmarkt verändern wird. Lernen Sie mehr über unsere Vorhersagen der Wolkendecke.

• No Clouds on the Horizon: The Future Looks Bright for FSOC

  In diesem Webinar diskutieren Reuniwatt, Mynaric und das Fraunhofer IOSB aktuelle Herausforderungen der FSOC –  dichte Multi‑Wellenlängen‑Multiplexing (DWDM) und robuste Kommunikation, auch in der Nähe von Ballungsräumen.

Reuniwatts All‑Sky‑Imager und Expertise stehen bereit, um verbesserte Beobachtungs-, Identifikations‑ und Prognoseaufgaben rund um Kondensstreifen zu unterstützen. Wir verfügen bereits über ein Netzwerk zahlreicher All‑Sky‑Imager in Europa und bieten Data‑as‑a‑Service (DaaS). Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie unsere Lösungen Ihre Ziele unterstützen können.