Satellitenkommunikation: Sendestationen in bevorzugter Lage

Satellitenkommunikation: Sendestationen in bevorzugter Lage

 

Künstliche Erdtrabanten als Sende- und Empfangsanlagen für den Funkverkehr zu nutzen, das ist ein überaus nahe liegender Gedanke nach der einfachen Regel: »Je höher der Sendemast, desto größer die Reichweite«. Hochfrequenz-Richtfunkstrecken etwa, wie sie in den Fünfzigerjahren aufkamen, erfordern zur Überbrückung größerer Entfernungen eine Kette von Relaisstationen in einem Abstand von 50 bis 100 Kilometern, da Sender und Empfänger wegen der begrenzten Reichweite der kurzwelligen Radiosignale quasi Sichtverbindung haben müssen. Eine Kommunikation hinweg über Ozeane beispielsweise ist so nicht möglich. Im geostationären Orbit geeignet platziert, reicht hingegen eine einzige solche Relaisstation aus, um beispielsweise Europa mit Nordamerika oder Afrika mit Ostasien mit Funkstrecken zu verbinden.

 

 Erste Realisierungen

 

Die praktische Realisierung folgte umgehend mit Beginn des Raumfahrt-Zeitalters: Im Mai des Jahres 1960 wurde »Echo 1«, ein aufblasbarer Ballon mit reflektierender Aluminiumoberfläche, in einen kreisförmigen, niedrigen Erdorbit gebracht und dort für Experimente mit reflektierten Funksignalen verwendet. Der erste kommerzielle Kommunikationssatellit mit der Bezeichnung »Telstar 1« wurde von der Firma American Telephone & Telegraph Company im Jahr 1962 gebaut; Der Satellit Intelsat 1 (auch »Early Bird« genannt) mit 240 Telefonkanälen oder einem Fernsehkanal wurde im April 1965 über dem Atlantik stationiert und verdreifachte die damals existierende Telefonkapazität über Unterseekabel von Europa nach Nordamerika mit einem Schlag. Schon an diesem frühen Beispiel wird einer der auch noch heute gültigen systembedingten Vorteile der Satellitenkommunikation deutlich: Man kann wesentlich schneller ein globales Netz aufbauen und dessen Kapazität flexibel anpassen, als dies mit leitungsgebundener Kommunikation (Kupfer- oder auch Glasfaserkabel) oder mit terrestrischen Funkdiensten möglich wäre.

 

Mit dem deutsch-französischen Projekt »Symphonie« wurde 1974 erstmals ein Kommunikationssatellit realisiert, dessen Lage im Raum in Bezug auf alle drei Raumrichtungen durch ein System von Steuerdüsen — kleinen Raketenmotoren — stabil geregelt wurde; bis dahin waren ausschließlich in den USA gebaute drall- oder spinstabilisierte Satelliten eingesetzt worden.

 

Der Kommunikationssatellit Symphonie ist noch aus einem ganz anderen Grund erwähnenswert: Die Vereinigten Staaten hatten damals mit ihrem Einfluss verhindert, dass Symphonie für kommerzielle Übertragungen genutzt werden konnte. Die Mitwirkung der USA war aber seinerzeit erforderlich, um den Satelliten überhaupt in den Weltraum befördern zu können — sie verfügten damals faktisch (die Sowjetunion schied ja aus politischen Gründen aus) über ein Monopol für Raketenstarts in den Weltraum. Dies gab dann den Anstoß, einen eigenständigen europäischen Zugang zum Weltraum gerade auch für kommerzielle Anwendungen zu schaffen. Ergebnis der Bemühungen war schließlich das inzwischen überaus erfolgreiche Ariane-Programm — ein Lehrstück dafür, wie staatlicher Industrie-Protektionismus das Gegenteil dessen bewirken kann, was beabsichtigt war.

 

Ebenfalls in deutsch-französischer Kooperation wurde der erste direkt sendende Fernseh- und Rundfunk-Satellit verwirklicht; er wurde von den Deutschen TV-SAT, von den Franzosen TDF benannt. Die aus dem geostationären Orbit ausgestrahlten TV-Signale konnten von den Endnutzern in Mitteleuropa mit einer schüsselförmigen Antenne von 60—80 Zentimetern Durchmesser empfangen werden. Mittlerweile ist der Satellit nicht mehr in Gebrauch, da zum einen die Solargeneratoren nicht vollständig entfaltet waren und er nur mit eingeschränkter Kapazität senden konnte, zum anderen verwendete er die mittlerweile überholte Sendenorm D2 Mac, die sich am Markt nicht durchgesetzt hat.

 

Ein direkt sendender Satellit hat eine Reihe entscheidender Vorteile: Ein einziger Sender hat ein Versorgungsgebiet, das einen ganzen Kontinent abdecken kann, und bedient dort eine potenziell unbegrenzte Zahl von Verbrauchern. Inzwischen ist die TV-Verteilung über Satellit zum kommerziell wichtigsten Anwendungsgebiet der Satellitenkommunikation geworden und steht im Begriff, den Fernsehempfang über terrestrische Senderketten oder auch über Kabelnetze in den Hintergrund zu drängen. Besonders deutlich werden die Vorteile dort, wo es gilt, große und infrastrukturell wenig erschlossene Flächenstaaten, etwa Indien, oder auch ausgedehnte Inselstaaten wie Indonesien mit Fernsehprogrammen zu versorgen.

 

 Satelliten-Betriebsgesellschaften

 

Seit März 1985 bietet die private Kapitalgesellschaft »Société Européenne des Satellites« (SES), ansässig in Betzdorf im Großherzogtum Luxemburg, unter dem Markennamen »Astra« Fernseh- und Rundfunk-Satellitendienste an. Die Satelliten setzen die Fernseh- und Rundfunksignale in eine andere Frequenz um, verstärken sie und strahlen sie zurück zur Erde. Im Jahre 1997 erreichten die über Astra-Satelliten abgestrahlten Fernsehprogramme insgesamt mehr als 70 Millionen Haushalte in ganz Europa. Über ein Drittel empfangen die Programme direkt aus dem All mittels kleiner Parabolantennen (»Satellitenschüsseln«), die restlichen Teilnehmer werden versorgt, indem die TV-Signale aus dem Weltraum über Kopfstationen auch in die Kabelnetze eingespeist werden.

 

Das Astra-Satellitensystem besteht gegenwärtig (Stand Ende 1998) aus zehn Satelliten im geostationären Orbit, acht davon auf der Position 19,2 Grad Ost (über der Demokratischen Republik Kongo, ehemals Zaire) und zwei auf 28,2 Grad Ost (etwa über Uganda).

 

Geostationäre Orbitalpositionen (Slots) sind knapp und daher wertvoll. Die Zahl der verfügbaren Orbitalpositionen auf der geostationären Bahn ist nämlich dadurch begrenzt, dass zwischen die Satelliten ein bestimmter Abstand zu legen ist — und zwar weniger deshalb, um Kollisionen zu vermeiden, sondern vielmehr, damit die abgestrahlten Radiosignale sich nicht gegenseitig stören.

 

Daher müssen Satelliten gemäß internationalen Übereinkommen »lizenziert« werden, bevor sie im Weltraum platziert werden können. Für die Registrierung, also die Zuweisung und Dokumentation der Orbitalpositionen und der verwendeten Sendefrequenzen, ist die International Telecommunications Union (ITU) zuständig, eine Unterorganisation der Vereinten Nationen. Der gesamte Prozess der Lizenzierung kann bis zu drei Jahre dauern.

 

Stehen mehrere Satelliten im Orbit räumlich sehr dicht beieinander, spricht man von einer Kopositionierung. Sie erfordert eine sorgfältige Koordination der verwendeten Sendefrequenzen, bietet dann aber einen großen Vorteil: Alle von einer Orbitalposition aus gesendeten Programme können mit einer einzigen, auf diese Position ausgerichteten Parabolantenne empfangen werden.

 

Astra hat zurzeit mehr als 150 Transponder (Übertragungskanäle) im Orbit, die mehr als 90 analoge und 320 digitale TV-Programme sowie etwa 300 Hörfunkprogramme übertragen. Bei Bedarf (beispielsweise bei Betriebsstörungen oder anlässlich besonderer Ereignisse) können kurzfristig auch noch weitere Ersatz-Transponder aktiviert werden. Der 1998 gestartete Astra 1H hat erstmalig einen Ka-Band-Transponder an Bord, mit dem auch Multi-Media-Dienste angeboten werden können.

 

Die Satelliten selbst entwickeln sich zu immer größeren und leistungsfähigeren Sendestationen am Himmel: Der erste Astra-Satellit mit der Bezeichnung 1A, der 1988 mit einer Ariane-4-Rakete von Kourou in Französisch-Guinea startete, hatte noch ein Gewicht von nur 1817 Kilogramm und verfügte über 16 aktive und sechs Ersatz-Transponder; der 1998 in Auftrag gegebene und voraussichtlich im Jahr 2000 betriebsbereite Satellit Astra 1K wird 52 Ku-Band(15—17 Gigahertz)- und zwei Ka-Band(18—36 GHz)-Transponder tragen und beim Start fast fünf Tonnen wiegen.

 

Auch in anderen Regionen der Erde werden vergleichbare Dienste mit ähnlichen Satellitensystemen angeboten. Weltweit werden gegenwärtig 200 Millionen Abonnenten versorgt; diese Zahl soll sich bis zum Jahr 2005 verdreifachen.

 

Der weltweit größte Betreiber von Relaissatelliten für »feste Dienste«, also die Übermittlung von Telefongesprächen, Digitaldaten und Videosignalen von einem Ausgangspunkt zu einem anderen, fest installierten Empfänger, ist die »International Telecommunications Satellite Organisation«, kurz Intelsat. In diesem 1964 gegründeten, genossenschaftlich organisierten Konsortium sind heute 142 Mitgliedstaaten entweder auf Regierungsebene oder durch Telekommunikationsorganisationen vertreten. Sie besitzen und betreiben gemeinschaftlich ein weltumspannendes Netz von 25 Satelliten (Stand: 1998) und über 900 Bodenstationen, das mehr als 180 Staaten, Territorien oder Besitzungen mit internationalen Telekommunikationsdiensten versorgt. Über die Hälfte aller internationalen Telefongespräche und fast der gesamte transozeanische TV-Verkehr wird über das Intelsat-Netz befördert. Inzwischen sind neben älteren Exemplaren die Satelliten der achten Generation (Bauserie) mit einer nominalen Betriebszeit von bis zu 18 Jahren im Dienst, die der neunten befinden sich im Bau und werden ab 1999 einsatzbereit sein. Gegenwärtig werden Anstrengungen unternommen, Intelsat von einer eher losen und etwas schwerfälligen Kooperative in ein kommerzielles Unternehmen umzuwandeln.

 

Neben der Fernseh- und Rundfunkverteilung über Satellit sowie den klassischen Relaissatelliten als Knotenpunkte einer weltumspannenden Kommunikations-Infrastruktur bilden Funkdienste für mobile Teilnehmer gegenwärtig den dritten wichtigen Einsatzbereich der Satellitenkommunikation.

 

Der erste Anbieter von Satelliten-Mobilfunkdiensten war die »International Maritime Satellite Organisation« (Inmarsat). 1976 als eine Kooperative von 74 Staaten gegründet, betreibt Inmarsat seit 1982 ein System von geostationären Satelliten, das weltweit Telefon-, Telex-, Daten- und Fax-Dienste für Kunden in den Bereichen Schifffahrt, Offshore-Industrie sowie zunehmend auch im Luft- und Landverkehr zur Verfügung stellt. Inzwischen sind fünf Satelliten der dritten Generation im Orbit. Bereits vier Einheiten — je einer über dem westlichen und östlichen Atlantik, einer über dem Indischen und einer über dem Pazifischen Ozean platziert — ermöglichen eine globale Abdeckung; der fünfte dient als Reserve. Die Satelliten haben beim Start ein Gewicht von fast zwei Tonnen, wovon knapp die Hälfte Treibstoff für den Hauptmotor und für die Lageregelung ist. Nutzer-Terminals neuester Technologie haben etwa die Größe von Laptop-Computern. Bodenstationen verbinden die Satelliten mit den internationalen terrestrischen Telekommunikations-Netzwerken.

 

 Nachrichtentechnische Systeme im Satelliten

 

Die heutigen Satelliten für Telekommunikationsdienste arbeiten, bis auf wenige Ausnahmen, mit transparenten Transpondern. Als Transponder bezeichnet man Geräte, welche die Signale einer Erdfunkstelle empfangen, auf andere Frequenzbänder umsetzen, verstärken und wieder zurück zu einer oder mehreren (anderen) Bodenstationen abstrahlen. Das Adjektiv »transparent« besagt, dass die Informationen so, wie sie ankommen, zum vorbestimmten Ziel weitergeleitet werden. In nicht allzu ferner Zukunft werden auch Satellitensysteme zum Einsatz gelangen, bei denen im Satelliten die ankommenden Signale aufbereitet und umgeschaltet (vermittelt) werden können (man spricht hierbei von regenerativen Transpondern). Dies wird den Aufbau von Netzen erheblich vereinfachen, allerdings um den Preis wesentlich komplizierterer und damit störanfälligerer Technik im Satelliten.

 

In den Kommunikationsnetzen fungiert ein einzelner Satellit als »funktechnischer Knoten«, das heißt, seine Transponder und somit seine Übertragungskanäle arbeiten unabhängig und werden von mehreren Bodenstationen gleichzeitig genutzt. Um ein bestimmtes Teilnehmersignal in dem eingehenden Signalgemisch zu identifizieren und zu rekonstruieren, werden bestimmte Verfahren (»Vielfachzugriffsverfahren«) verwendet, die sich in ihren technischen und betrieblichen Eigenschaften unterscheiden.

 

Beim vergleichsweise einfach und kostengünstig zu realisierenden Frequenzmultiplex (FDMA-Verfahren) werden separate Frequenzen für die Verbindungen zwischen den einzelnen Bodenstationen benutzt. Da sich die Zahl der zur Verfügung stehenden Frequenzen nicht vermehren lässt, ergeben sich dabei notwendigerweise Kapazitätseinschränkungen. Diese werden durch die moderneren Mehrfachzugriffsverfahren im Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) und im Codemultiplex (Code Division Multiple Access, CDMA) vermieden; sie sind allerdings nur mit deutlich höherem Aufwand zu realisieren und zu betreiben. Diese Verfahren kommen in neueren Mobilfunk-Satellitensystemen zum Einsatz; die bekanntesten sind »Iridium« und »Globalstar«.

 

 Neue Satelliten-Mobilfunknetze: Beispiel Globalstar

 

Globalstar ist der Name für ein satellitengestütztes Funk-Telekommunikationssystem, das seinen Kunden weltweit die Nutzung von Telefon-, Daten- und Fax-Diensten ermöglicht.

 

Die Teilnehmer können überall auf dem Globus — mit Ausnahme einiger unbewohnter Gebiete jenseits der Polarkreise — über das System Anrufe tätigen und entgegennehmen. Dazu verwenden sie tragbare oder auf Fahrzeuge montierten Geräte, die den bekannten »Handys« ähneln. Anders aber als bei den üblichen terrestrischen Funkzellennetzen, deren Servicegebiet auf infrastrukturell erschlossene, also in der Regel dicht bevölkerte Regionen beschränkt ist, kann ein Globalstar-Nutzer auch im brasilianischen Urwald oder in der Wüste Sahara jederzeit Telefonanrufe (sowie Faxe und Computerdaten) absetzen und empfangen. Ein abgehender Ruf wird von einem der Globalstar-Satelliten in 1414 Kilometern Höhe empfangen und zunächst zu einer Globalstar-Bodenstation in der Nähe des Bestimmungsortes geleitet. Von dort wird er über örtliche Kabel- oder Funknetze zu dem gerufenen Teilnehmer im öffentlichen Telefonnetz weitergeleitet. Ist der gerufene Gesprächspartner ein anderer mobiler Globalstar-Teilnehmer, so wird der Ruf zu einem momentan in dessen Nähe befindlichen, anderen Globalstar-Satelliten und von dort in das angerufene Globalstar-Handy geleitet.

 

Das Weltraumsegment des Systems besteht aus 56 Satelliten in niedrigen kreisförmigen Erdorbits. Davon werden je sechs Satelliten in acht Bahnebenen ständig genutzt; die restlichen acht Einheiten sind als Ersatz für zeitweise oder ständige Ausfälle vorgesehen. Die Orbitalkonstellation ist so gewählt, dass alle Gebiete auf der Erde zwischen 70 Grad südlicher und 70 Grad nördlicher Breite ständig im Bedeckungsbereich mindestens eines Satelliten liegen; auf diese Weise sind eine hohe Signalqualität und -verfügbarkeit gewährleistet.

 

Jeder der Satelliten wiegt ungefähr 450 Kilogramm und verbraucht im Normalbetrieb 1100 Watt an elektrischer Energie, die von zwei entfaltbaren Solargeneratoren geliefert wird. Globalstar-Satelliten sind auf drei Achsen stabilisiert; sie verwenden neben üblichen Sonnen-, Erd- und Magnetsensoren das Global Positioning System (GPS), um ihre Position und ihre Lage im Raum zu bestimmen. Fünf Steuerdüsen dienen dazu, Manöver zur Bahn- und Lageregelung vorzunehmen, die den Satelliten über die vorgesehene Betriebszeit von 7,5 Jahren (für die erste Satelliten-Generation) in ihrer vorbestimmten Bahn halten. Die Satelliten werden in Gruppen von bis zu zwölf Stück von unterschiedlichen Trägern im Orbit platziert (Mehrfachstarts).

 

Das Herzstück bilden die Kommunikationssysteme des Satelliten. C-Band-Antennen (Frequenzbereiche 5091—5250 Megahertz und 6875—7055 Megahertz) sorgen für die Kommunikation zwischen Satellit und Bodenstationen. L- und S-Band-Antennen (Frequenzbereiche 1610—1626 Megahertz und 2483,5—2500 Megahertz) stellen die Verbindungen zwischen Satellit und Teilnehmer her; es handelt sich um phasengesteuerte Schwenkstrahlantennen, die ein Muster von 16 »Punktstrahlern« (spot beams) auf die Erdoberfläche projizieren, das dann ein Versorgungsgebiet von mehreren Tausend Kilometern Durchmesser bildet.

 

Etwa 60 über die gesamte Erde verteilte Bodenstationen stellen die Verbindung der Nutzerterminals mit den öffentlichen Telefonnetzen her. Nutzerterminals können tragbare Geräte sein, ähnlich terrestrischen Handys, aber auch auf Fahrzeugen montierte Anlagen und fest installierte Telefonzellen in unerschlossenen, ländlichen Gebieten von Entwicklungsländern.

 

 Die Zukunft in der Satellitenkommunikation

 

Die nächste Generation von Telekommunikationssatelliten befindet sich bereits in Planung. Sie werden Breitband-Dienste offerieren wie Multimedia-Anwendungen im »World Wide Web« (WWW), Video auf Abruf, Angebote zur Unterhaltung und zur Bildung für alle, aber auch Gesundheitsdienste. Die Nutzer dieser Systeme werden mittels noch weiter miniaturisierter Terminals im Handy-Format diese Informationen jederzeit und überall abrufen können. Einige der projektierten Systeme — wie Teledesic (unterstützt unter anderem von Bill Gates, dem Gründer von Microsoft, sowie Firmen wie Boeing und Motorola) und Skybridge von der Firma Alcatel — werden aus einer großen Zahl von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen von wenigen Hundert Kilometern Höhe bestehen; das System Teledesic beispielsweise soll 288 Satelliten aufweisen. Andere Projekte favorisieren nach wie vor den geostationären Orbit, da die Zahl der erforderlichen Satelliten geringer ist. Die Satelliten werden wahrscheinlich mittels optischer Signalstrecken über Laserlicht untereinander vernetzt sein und im Ka-Band (bei etwa 30 Gigahertz) mit den Nutzerterminals kommunizieren. Wegen der bereits absehbaren Knappheit der Frequenzen auch in diesem Band könnten in noch weiterer Zukunft Systeme zum Einsatz kommen, die bei 80 bis 100 Gigahertz arbeiten.

 

Eines dürfte indes feststehen: Die viel diskutierte Informationsgesellschaft von morgen wird ohne Kommunikationsknoten im All nicht realisierbar sein. Um Information in Gestalt von Multimediadaten hoher Qualität an jedem Ort der Erde und zu jeder Zeit verfügbar zu machen, ist eine Infrastruktur erforderlich, wie sie nur unter Verwendung von Satellitensystemen gestellt werden kann.

 

Prof. Dr. Hans-Joachim Blome, Aachen und Dr. Jens Fromm, Bonn

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Navigationssatelliten: Die neuen Leitsterne

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Raumfahrttechnik: Erdbeobachtung

 

Literatur:

 

Roddy, Dennis: Satellitenkommunikation. Grundlagen, Satelliten, Übertragungssysteme. Aus dem Englischen. München u. a. 1991.

 Thaller, Georg Erwin: Satelliten im Erdorbit. Nachrichten, Fernsehen und Telefonate aus dem Weltall. München 1999.