Kabellose Lösung für Datenübermittlung in Satelliten
Beim Satellitendesign gibt es einen Engpass im Inneren des Raumfahrzeugs: schwere, komplexe Kabelbäume. Bei einem typischen Satelliten bilden diese von Hand montierten Kabel und Abschirmungen bis zu 15 % des gesamten Trockengewichts, wobei Datenleitungen etwa die Hälfte davon ausmachen. Da sich diese Kabelbäume nur schwer normen lassen, sind Änderungen in späten Phasen des Konstruktionsprozesses bekanntermaßen kostspielig und arbeitsintensiv. Diese Verkabelung schränkt bei kompakten Plattformen wie CubeSats und Mikrosatelliten den Innenraum stark ein, erschwert Montage und Tests sowie zwingt Komponenten in starre Positionen. Funkverbindungen könnten zwar physische Kabel überflüssig werden lassen, erzeugen jedoch elektromagnetische Störungen, während es bei den üblichen optischen Sensoren auf Photodiodenbasis Schwierigkeiten damit gibt, Signale von mehreren Sendern gleichzeitig zu unterscheiden. Die Arbeit des EU-finanzierten Projekts OCC4SAT(öffnet in neuem Fenster) trug dazu bei, die traditionellen Kabel teilweise zu ersetzen, wobei optische Kamerakommunikation(öffnet in neuem Fenster) (OCC) als leichte, drahtlose Alternative für die interne Datenübertragung eingeführt wurde. Anstatt sich ausschließlich auf physische Kabel oder Funkwellen zu verlassen, werden bei der OCC optische Kurzstreckenverbindungen angewandt, die von kleinen LED-Sendern und kamerabasierten Empfängern gespeist werden. „Da Kamerasensoren von Natur aus räumliche Anordnungen und Farbspektren erfassen, kann eine einzige Kamera als zentraler optischer Zugangspunkt dienen und dann Daten von mehreren LED-Sendern empfangen, ohne dass für jede Kommunikationsverbindung ein separates Kabel erforderlich ist“, erklärt Projektkoordinator Jose Rabadán-Borges. „Die Kamera trennt mehrere gleichzeitige Datenströme anhand ihrer Position und Wellenlänge mithilfe von räumlichen und wellenlängenteilenden Vielfachzugriffsverfahren(öffnet in neuem Fenster), wodurch eine optische Kommunikation mit hoher Dichte ohne elektromagnetische Störungen möglich wird.“
Digitale Werkzeuge und physische Prototypen für die optische Kommunikation
Um dieses Konzept zu verifizieren, entwickelte das Team von OCC4SAT eine integrierte Technologiekette, die auf zwei Demonstrationsergebnissen aufbaut. Zum einen modelliert ein digitaler Simulator Lichtausbreitung, Strahlverfolgung, Oberflächenreflexionen, Kamerarauschen und die Erzeugung synthetischer Bilder. Dadurch können Ingenieurteams die Anordnung der Verbindungen testen und sowohl Sichtlinien als auch reflektierte optische Pfade bewerten, bevor die Hardware gebaut wird. Dieses digitale Werkzeug beschleunigt das Satellitendesign und reduziert die Anzahl der Prüfungen nach der Versuch-und-Irrtum-Methode. Zweitens kombiniert ein physikalischer Demonstrator die OCC-Sender- und -Empfängerhardware. Auf der Senderseite kommen optische LED-Emitter, Treiberelektronik und eine mikrocontrollerbasierte Steuerung zum Einsatz, wobei On-Off-Keying und Pulsamplitudenmodulation angewandt werden. Beim Empfänger werden kompakte handelsübliche Kameras, Bildaufnahme sowie projektintern entwickelte Demodulationsalgorithmen genutzt. Im Rahmen des Projekts wurden Global-Shutter-Modi für mehrere optische Verbindungen mit niedriger Übertragungsrate sowie Rolling-Shutter-Modi für höhere Datenraten erprobt, wobei die zeilenweise Bilderfassung angewandt wurde. Das Ingenieurteam validierte diese Technologien anhand realistischer, detaillierter 12U-CubeSat- und Mikrosatelliten-Modelle, die mit reflektierenden Wänden und internen Hindernissen ausgestattet waren. „In den Versuchen bestätigte sich, dass durch von den Innenflächen reflektiertes Licht eine zuverlässige Kommunikation außerhalb der Sichtlinie aufrechterhalten werden kann, wenn direkte Sichtverbindungen blockiert sind“, erläutert Rabadán-Borges. „Da Kamerasensoren von Natur aus hochempfindlich sind, können die Sender-LEDs zudem mit reduzierter Leistung betrieben werden, ohne dass der Empfänger daran gehindert wird, schwache Signale von LEDs mit geringer Leistung oder kleinen LEDs zu erkennen, wodurch der Gesamtenergieverbrauch bei Satelliten mit begrenzter Stromversorgung gesenkt wird.“
Von Satellitenversuchen zu anderen industriellen Anwendungen
Nachdem nun das Team von OCC4SAT all seine Kernziele erfolgreich realisiert und den Technologie-Reifegrad 5 erreicht hat, bietet sich ein projekteigener Rahmen, der Systemanforderungen, Spezifikationen, Sender- und Empfängerdesigns, Prototypen, detaillierte Modelle, Validierungsmethoden sowie eine digitale Simulationsplattform umfasst. Zwar erfordert der operative Einsatz noch weitere Schritte wie etwa die Entwicklung von technischen Modellen, die Durchführung von Umweltvorqualifizierungen und Demonstrationen im Orbit, jedoch ist die Technologie zweifellos vielversprechend. „Über Raumfahrtsysteme hinaus bietet dieser kabellose optische Ansatz klare Vorteile für unbemannte Luftfahrzeuge, Robotik, fortgeschrittene Fahrassistenzsysteme, Verteidigungsplattformen und industrielle Umgebungen, in denen eine leichte und elektromagnetisch störungsfreie Kommunikation von zentraler Bedeutung ist“, kommt Rabadán-Borges zum Schluss.
