LoLaSat - Very low latency satellite communication system

07.05.2023

LoLaSat ist eine einzigartige Mission, die darauf abzielt, ein Satellitenkommunikationssystem mit sehr geringer Latenzzeit in einer sehr niedrigen Erdumlaufbahn (VLEO) in einer Höhe zwischen 200 km und 300 km zu entwickeln und im Orbit zu testen. Dabei werden zwei innovative Ziele kombiniert:

Das erste Ziel ist die Demonstration der Nutzbarkeit von VLEO für Satellitenkommunikationsmissionen. Einer der Hauptgründe für die Verringerung der Höhe der Umlaufbahn ist die geringere Entfernung der Verbindung. Dies ermöglicht nicht nur sehr niedrige Latenzzeiten, sondern auch eine drastische Verringerung der erforderlichen HF-Leistung, die aus dem Weltraum übertragen werden muss, um eine bestimmte Leistungsflussdichte am Boden zu erreichen. Dies ermöglicht es kleinen Satelliten, Kommunikationsservices mit hohen Datenraten anzubieten. Die Mission zielt darauf ab, Erkenntnisse über den bisher kaum genutzten VLEO zu gewinnen, und umfasst daher die Charakterisierung der Atmosphärendichte im Zeitverlauf, Experimente bezüglich der Aerodynamik und Materialien der Plattform und die Charakterisierung der Strahlungsumgebung.

Das zweite Ziel ist die Demonstration der Ka-Band-Telekommunikationsnutzlast mit sehr niedriger Latenz von unter 10ms, die unter Ausnutzung der geringen Flughöhe erreicht wird. Die Projektaktivitäten umfassen die Entwicklung und Herstellung dieser neuen Kommunikationsnutzlast, die auf CubeSats platziert werden kann. Das Projekt umfasst ferner den sechsmonatigen Betrieb zur Charakterisierung der orbitalen Umgebung und zur Funktions- und Leistungsdemonstration der Kommunikationsverbindung in diesem Orbitalbereich.

Challenges

Die Herausforderungen dieser Mission hängen mit der geringen Höhe der Umlaufbahn, der Neuartigkeit der beteiligten Systeme und den beschränkten Fähigkeiten von CubeSat-Plattformen zusammen. Während die geringere Orbithöhe sehr niedrige Signallatenzen ermöglicht, könnte die erhöhte Atmosphärendichte zu aerodynamischen Störungen bei der Ausrichtung der Nutzlast führen. Der erhöhte Luftwiderstand muss ständig durch ein Antriebssystem kompensiert werden, um den Zielorbit zu halten. Darüber hinaus sind die Auswirkungen von atomarem Sauerstoff auf die Satellitenplattform und die Antennen noch nicht vollständig charakterisiert. Ferner ist die Entwicklung anspruchsvoller Schlüsseltechnologien für ein Satellitenkommunikationssystem, das terrestrische 5G-Anwendungen ermöglicht, eine Herausforderung.

Features & benefits of this mission

Das System besteht aus der Telekommunikationsnutzlast, der CubeSat Plattform und der TM/TC-Missionskontrolle am Boden und verfügt über die folgenden Merkmale:

• KA-Band-Kommunikationsnutzlast mit Möglichkeiten zur Steuerung der Strahlrichtung und -geometrie
• Signal-Latenzzeit von weniger als 10 ms
• Uplink-Rate von 10 Mbit/s und Downlink-Rate von 100 Mbit/s
• Antriebssystem zur Kompensation des Luftwiderstands, das einen sechsmonatigen Betrieb in der Umlaufbahn in einer Höhe von 200-300 km ermöglicht

Unter anderem werden folgende Messungen durchgeführt

• Vermessung der Antennencharakteristik während des Missionsbetriebs
• Messungen zur Charakterisierung der Zusammensetzung der Restatmosphäre der Umlaufbahn und der Auswirkungen auf die Materialien
• Messungen zur Charakterisierung der Strahlungsumgebung in der Umlaufbahn während des Missionsbetriebs
• Messungen der aerodynamischen Kräfte, die auf den CubeSat während des Betriebs einwirken.

Das finale Produkt ermöglicht Satellitenkommunikation für globale Anwendungen mit sehr geringer Latenz, die in allen Kommunikationsnetzen eine Schlüsselrolle spielt. In einem breiten Spektrum von Nutzeranwendungen wie Notfalleinsätzen, sicherem autonomen Fahren von vernetzten Autos oder Transportdrohnen, aber auch bei Finanzdienstleistungen ist eine niedrige Latenzzeit entscheidend. Mit einer Latenzzeit von weniger als 10 ms wäre die wahrgenommene Qualität eines Satellitendienstes sehr ähnlich oder sogar besser als bei der terrestrischen Breitbandkommunikation. Darüber hinaus würde dies die Integration von Satellitengestützter Kommunikation mit terrestrischen 5G-Netzen erleichtern. Eine Latenzzeit von weniger als 10 ms könnte mit VLEO-Satellitensystemen erreicht werden, die in einer Höhe von 200 bis 300 km betrieben werden. Der Vorteil der 5G-Telekommunikation über Satellit ist die Abdeckung großer Gebiete. Herkömmliche geostationäre Satelliten in 36.000 km Höhe haben den Nachteil, dass die Signalausbreitung aufgrund der großen Entfernungen erheblich verzögert wird. LoLaSat umkreist die Erdoberfläche viel näher in 200 - 300 km Höhe und weist somit eine sehr geringe Signallaufzeit auf.