Kleinsatelliten werden immer kompakter und leistungsfähiger. Die Technologie klassischer Funkkanäle kommt bei der stetig steigenden Satellitenanzahl an ihre Grenzen. Die Laserkommunikation bietet hier Lösungen zur effizienten Übertragung hoher Datenmengen ohne Störeinflüsse auf andere Kanäle. Für diese Anwendung hat das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit der Firma TESAT OSIRIS4CubeSat, das weltweit kleinste kommerziell verfügbare Laserkommunikationsterminal, entwickelt. Die Zuverlässigkeit und die fehlerfreie Funktion des speziell für den Einsatz auf Kleinstsatelliten entwickelten Terminals bestätigte sich nun beim Testeinsatz im All.

"Dieser Erfolg ist das Ergebnis unserer langjährigen Forschung im Bereich der optischen Satellitenkommunikation", sagt Dr. Florian David, Leiter des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation. "Er zeigt eindrücklich, wie klein, leicht und gleichzeitig leistungsfähig optische Satellitenterminals ausgelegt werden können. Dies ist ein wichtiger Baustein für zukünftige Satellitensysteme, wie beispielsweise für die Erdbeobachtung oder in Megakonstellationen."

Das erste OSIRIS4CubeSat-Terminal startete am 24. Januar 2021 an Bord eines Kleinstsatelliten ins Weltall. In der Mission PIXL-1 konnten Bilder, die vom Kamerasystem an Bord aufgenommen wurden, über den Laserstrahl von OSIRIS4CubeSat zur optischen Bodenstation Oberpfaffenhofen gesendet werden. Sowohl der Satellit als auch das Laserterminal wurden seitdem umfangreichen Tests unterzogen. Nun konnten die Tests mit einer Ende-zu- Ende-Demonstration erfolgreich abgeschlossen werden. Die Zuverlässigkeit und die fehlerfreie Funktion von OSIRIS4CubeSat im All wurden bestätigt.

Kleinstsatelliten, sogenannte CubeSats, haben eine standardisierte Würfelform von zehn Zentimeter Kantenlänge und lassen sich beliebig erweitern. Das im Projekt OSIRIS4CubeSat gemeinsam mit TESAT entwickelte Laserkommunikationsterminal entspricht diesem Standard. Durch das patentierte Design, in dem erstmals eine elektronische Leiterplatte als mechanische Basis für die optischen Elemente genutzt wurde, konnte der hohe Grad an Kompaktheit erreicht werden.

Mit einer Datenraten von 100 Megabit pro Sekunde übertrifft das Laserterminal die Menge an Daten, die mit vergleichbaren Funksystemen übertragen werden können, um ein Vielfaches. So können mit OSIRIS4CubeSat in derselben Zeit etwa zehnmal so viele Daten übertragen werden wie mit S-Band-Systemen gleicher Größe und Leistungsaufnahme. Neben der hohen Datenrate ist Laser als Übertragungsmedium unabhängig von elektromagnetischen Störungen. Kanalübersprechen, wie es bei klassischen Funkkanälen bekannt ist, gibt es bei der Laserübertragung nicht. Das führt dazu, dass für Laserübertragungskanäle keine langwierigen Genehmigungsverfahren seitens der Bundesnetzagentur (BNetzA) oder der International Telecommunication Union (ITU) erforderlich sind.

Bei der Übertragung der Bilddaten per Laser zur Erde kamen im DLR entwickelte Kodierungsverfahren zum Schutz der Daten zum Einsatz. Denn für eine verlustfreie und stabile Übertragung vom Satelliten zur Erde müssen die Daten vor den Störungen durch die atmosphärischen Effekte geschützt werden. Dafür werden sie auf dem Satelliten kodiert, bevor sie mit dem Laserlink zur Bodenstation gesendet werden. Dort werden sie nach dem Empfang wieder dekodiert und anschließend prozessiert. Die Kommandierung, sowie die Wartung und Pflege des Satelliten wurde vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) verantwortet. Im Rahmen der Mission PIXL-1 konnte damit erstmals ein CubeSat erfolgreich in das bestehende Bodensegment des GSOC integriert werden.

Die Ergebnisse aus PIXL-1 zeigen die fehlerfreie Funktionalität des OSIRIS4CubeSat-Terminals entlang der kompletten Übertragungskette. Das ermöglicht zukünftig einen breiten Einsatz der Laserkommunikation auf einer Vielzahl von Satelliten. Bereits vor Abschluss der Demonstrationsmission erfolgte die Übergabe der Technologie an TESAT. TESAT hat mittlerweile eine Weiterentwicklung des Terminal in ihr Portfolio übernommen, so dass die Technologie für kommerzielle Kunden zur Verfügung steht.