-
Die Erfindung betrifft ein System zur angeforderten Übergabe von an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten oder mehrerer zu einer Satellitenkonstellation gehörenden Erdbeobachtungssatelliten erfassten und gesammelten Beobachtungsdaten an eine oder mehrere Bodenstationen.
-
Ein derartiges System ist insbesondere aus
US 2007/00 72 546 A1 bekannt. Auch aus
US 6 271 877 B1 und
US 2003/0095181 A1 sind beispielsweise derartige mittels Funk betriebene Datenübertragungen zwischen Satelliten und Bodenstationen zum Zwecke der Erdbeobachtung bekannt.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einzelsatelliten und Satellitenkonstellationen für die Erdbeobachtung. Hierfür vorgesehene Systeme bestehen gewöhnlich aus einem oder mehreren Satelliten im LEO (Low Earth Orbit) oder MEO (Middle Earth Orbit), die in einer oder mehreren Orbitalebenen mit einer hohen Inklination in Bezug auf den Erdäquator und unterschiedlicher Rektaszension des aufsteigenden Knotens angeordnet sind. Die Hauptaufgaben jedes Satelliten sind: Nutzdatenaufnahme von einem bestimmten beobachteten Zielbereich, Speicherung der aufgenommenen Daten an Bord, Herunterladen der Nutz- und Organisationsdaten auf eine bestimmte Bodenstation, Satellitenbus-Instandhaltung, Überwachung und Kommandierung.
-
Die folgenden Systemmerkmale bestimmen in erster Linie den Wert der Reaktionszeit, d. h. der Zeitdauer, bis ein gewünschtes Beobachtungsbild eines Zielbereichs bei einer Bodenstation eingetroffen ist:
- • Die Satelliten haben Revisit-Begrenzungen auf Ziele, da sie in festen Orbits sind, die über einen besonderen Ort auf der Erde zu bestimmten Zeiten laufen. Ein Ziel muss im Blickfeld des am Erdbeobachtungssatelliten angebrachten Abbildungssensors sein, um eine Datenaufnahme auszuführen. Da eine bestimmte Zeitdauer erforderlich ist, um mit dem Abbildungssensor ein Bild aufzunehmen, ist eine Abbildungsfensterdauer auch ein wichtiger Faktor.
- • Die Anzahl und die Dauer verfügbarer Bodenstationskontakte für jeden Erdbeobachtungssatelliten sind ebenfalls begrenzt. Die Dauer eines Bodenstationsdurchlaufs begrenzt die Menge der Nutzdaten, die während eines solchen Übertragungskontaktes heruntergeladen werden kann, wobei eine Abhängigkeit von der Download-Datenrate besteht. Ein Bodenstationskontakt ist auch die einzige Möglichkeit, um die Anforderung eines Bildes zu einem Satelliten zu kommandieren.
- • Die begrenzte Datenspeicherungsfähigkeit an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten ist auch die Ursache von Verzögerungen, weil, wenn der für die Daten der aufgenommenen Bilder vorgesehene Bordspeicher einmal voll ist, keine neuen Bilder mehr aufgenommen werden können, ohne dass jene Daten, die sich bereits im Bordspeicher befinden, vor der nächsten Download-Möglichkeit während des nächsten potentiellen Übertragungskontaktes mit einer Bodenstation überschrieben werden.
-
Falls es nur eine verfügbare Bodenstation gibt, kann die Satellit-Bodenstation-Sichtbarkeitslücke bis zu zwölf Stunden betragen. Es folgt daraus, dass im ungünstigsten Fall, wenn eine Bildanforderung eines Nutzers an die Bodenstation während dieser Lücke kommt und nur ein Erdbeobachtungssatellit verfügbar ist, die Reaktionszeit auf die Anforderung hin bis zu 24 Stunden betragen kann, da der nächste Bodenstationskontakt die einzige Möglichkeit ist, diese Anforderung an den Satelliten zu kommandieren.
-
Das Problem kann zum Teil gelöst werden, indem die Anzahl von Erdbeobachtungssatelliten gesteigert wird, wobei dann eine Konstellation mit einer optimalen geometrischen Konfiguration gebildet wird, bis die gewünschte Systemreaktionszeit erreicht wird. Eine solche Lösung kann aber mit den Etatbedingungen der betreffenden Mission in Konflikt geraten. Auch die Verfügbarkeit von mehr als einer Bodenstation kann wegen Etatbeschränkungen oder aus politischen/strategischen Gründen ausgeschlossen sein.
-
Ein Hauptqualitätskriterium der durch ein Satellitensystem zur Erdbeobachtung erzeugten Daten ist eine kurze Systemreaktionszeit, d. h. die Zeitspanne zwischen der Nutzeranforderung nach einem Bild und der Verfügbarkeit der bestellten Daten. Ein anderes wichtiges Kriterium ist das Informationsalter, d. h. die Zeitspanne zwischen der Sammlung der Daten durch den Erdbeobachtungssatelliten und der Verfügbarkeit dieser Daten. Auf einem Satelliten gespeicherte Daten sind nur nach einer Download-Operation verfügbar, die während eines Kontaktes zwischen dem Satelliten und einer Bodenstation ausgeführt worden ist.
-
Ein Erdbeobachtungssatellit im LEO muss sonach an Bord Bilddaten speichern, bis ein Herunterladen von Daten zu einer Bodenstation möglich ist. Für einen Satelliten im LEO mit einer nicht in den Polargebieten angeordneten Bodenstation sind Bodenstationskontakte in Anzahl und Dauer begrenzt (typisch drei oder vier Kontakte pro Tag mit einer Dauer von weniger als zehn Minuten). Die Systemreaktionszeit ist insbesondere bei Missionen, die zu einem Katastrophen-Management oder einer militärischen Aufklärung zweckbestimmt sind, ein kritischer Parameter.
-
Die Systemreaktionszeit lässt sich erfahrungsgemäß durch Anwendung einer oder in Kombination mehrerer der folgenden Methoden verringern:
- 1) Steigerung der Anzahl verfügbarer Bodenstationen zum Herunterladen und/oder Kommandieren. Die in der bereits vorher erwähnten Patentanmeldung US 2007/00 72 546 A1 angegebene Lösung besteht darin, die in einem oder mehreren Beobachtungssatelliten gesammelten und gespeicherten Beobachtungsdaten an eine Vielzahl von ausschließlich als einfache Empfänger ausgebildeten, netzartig über die Erde verteilten Bodenstationen zu übertragen, in denen diese Daten zunächst vorverarbeitet und dann über Kommunikationsverbindungen, z. B. ein Glasfasernetz, an eine Verarbeitungszentrale übertragen werden.
- 2) Verwendung einer oder mehrerer in den Polargebieten angeordneter Bodenstationen (da Beobachtungssatelliten in typischer Weise einen Orbit von hoher Inklination benutzen).
- 3) Verwendung einer Planungs- und Dispositionstechnologie zum Erzeugen optimaler Betriebspläne.
- 4) Steigerung der Anzahl von Erdbeobachtungssatelliten: Kleinsatelliten-Konstellationen im LEO erlauben Beobachtungen mit höheren Wiederholungsraten und mittleren bis hohen Bildauflösungen.
- 5) TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System)
-
Die vorstehend erwähnten und geläufigen Verbesserungen sind wegen der zwangsläufig damit verbundenen, unhaltbaren Zunahme der Missionskosten (bei Anwendung der vorgenannten Punkte 1, 4, 5), wegen technologischer Risiken (bei Anwendung des vorgenannten Punktes 3) oder aus politischen Gründen (bei Anwendung der vorgenannten Punkte 2 und 5) nicht praktikabel.
-
Aus
GB 2 319 700 A ist ein nicht der Erdbeobachtung dienendes, zellular arbeitendes, satellitenbasiertes Kommunikationssystem bekannt, dessen in gleicher Orbithöhe umlaufende Kommunikationssatelliten entsprechend den Basisstationen von Funkzellen mit Teilnehmer-Funkstationen am Boden kommunizieren können und von einer zentralen Basisstation über einen sich in einer höheren Umlaufbahn befindlichen Kontrollsatelliten gesteuert und kontrolliert werden. Bei diesem bekannten Telekommunikationssystem soll vermieden werden, dass von einer auf der Erde positionierten zentralen Basisstation kommende Steuerinformationssignale (z. B. Satellitenkommandos, Telemetriesignale, Verbindungserstellungssignale, Zellenfrequenzsignale, Satellitenmanövriersignale und Funktelefon-Verbindungsverwaltungssignale) über die einzelnen Kommunikationssatelliten bis zu dem jeweils ausgewählten Kommunikationssatelliten übertragen werden, da eine solche Steuersignalweiterleitung über mehrere Kommunikationssatelliten wertvolle Energie und vor allem Bandbreite verbraucht, insbesondere wenn die Weiterleitung über eine Vielzahl von Kommunikationssatelliten erfolgt. Die für die Steuersignalweiterleitung verbrauchte Bandbreite nimmt wichtige Bandbreite weg, die für die Übertragung der eigentlichen Kommunikationssignale erheblich zweckmäßiger eingesetzt werden könnte. Es soll demnach mit diesem Kommunikationssystem erreicht werden, dass der Steuerdatenübertragungsverkehr über die verschiedenen Kommunikationssatelliten minimiert und die Übertragungskapazität für die eigentlichen Kommunikationssignale (z. B. Sprachdaten, Faxdaten) maximiert wird, was dadurch erreicht wird, dass die Bandbreite für die Übertragung dieser eigentlichen Kommunikationssignale maximiert wird. Diese Bandbreitengewinnung für die eigentlichen Kommunikationssignale wird durch die Positionierung eines besonderen Satelliten in einem höheren Orbit erreicht, so dass diese Steuerungssignale zwischen der auf der Erde angeordneten zentralen Basisstation und dem jeweils ausgewählten Kommunikationssatelliten über diesen besonderen Satelliten laufen können, ohne dass andere Kommunikationssatelliten zwischengeschaltet sind.
-
Aus
DE 694 22 941 T2 ist im Zusammenhang mit der Übertragung von Erdbeobachtungsdaten eine Speicherrelaisanordnung für wenigstens einen Beobachtungsraumflugkörper bekannt, wobei diese Anordnung wenigstens einen als Speicherrelais bezeichneten Raumflugkörper umfasst. Dieser Speicherrelais-Raumflugkörper enthält Mittel zum Empfang von Signalen, die vom Beobachtungsraumflugkörper stammen, Mittel zur Umwandlung und Transformation dieser Signale im Hinblick auf ihre Speicherung, Speichermittel, Mittel zur Wiedergabe der gespeicherten Signale und Mittel zum Senden dieser letzteren zu einer Empfangsstation.
-
Aus
DE 43 24 515 A1 ist im Zusammenhang mit der Übertragung von Erdbeobachtungsdaten ein Verfahren zur Verlängerung der Kommunikationsdauer von Raumflugkörpern bekannt, die Datenraten erzeugen, welche nicht über längere Zeit im Raumflugkörper selbst speicherbar sind, wobei die vom Raumflugkörper erzeugten Daten im Verlaufe eines Erdumlaufs an eine Bodenstation übertragen werden. Die vom Raumflugkörper erzeugten Daten werden an mindestens einen auf der gleichen Umlaufbahn vor- und/oder nacheilenden Hilfssatelliten übertragen, der die Daten ohne Zwischenspeicherung direkt an die Bodenstation weiterleitet, sobald er sich im Empfangsbereich der Bodenstation befindet. Die Steuerung der Kommunikationsverbindung zwischen dem Raumflugkörper und dem/den Hilfssatelliten wird von der Bodenstation betätigt, sobald sich der Raumflugkörper oder ein Hilfssatellit im Empfangsbereich der Bodenstation befindet.
-
Da bei Einhaltung eines wirtschaftlich vernünftigen Missionsaufwands die Anzahl verfügbarer Bodenstationskontakte sehr begrenzt ist und die Satellit-Bodenstation-Sichtbarkeitslücke für einen Erdbeobachtungssatelliten sehr lang andauernd ausfallen und z. B. im LEO (Low Earth Orbit) bis zu zwölf Stunden betragen kann, stellt sich die Aufgabe, ein System zur Übergabe von an Bord eines Erdbeobachtungssatelliten oder mehrerer zu einer Satellitenkonstellation gehörenden Erdbeobachtungssatelliten aufgenommenen und gesammelten Beobachtungsdaten an eine oder mehrere Bodenstationen so zu gestalten, dass unter Aufbringung eines erheblich geringeren technischen und kostenmäßigen Aufwandes die Systemreaktionszeit und das Informationsalter reduziert sind.
-
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein System der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere ausschließlich zur Übergabe von Kommandos von einer Bodenstation zu einem Erdbeobachtungssatelliten oder zum Überbrücken zweier Erdbeobachtungssatelliten und/oder zur Datenübergabe von einem Erdbeobachtungssatelliten zu einer Bodenstation bestimmte Klein/Mikro-Kuriersatelliten als Intersatelliten-Verbindung/en vorgesehen sind.
-
Die hier vorgeschlagene Erfindung beruht auf der Verwendung von Intersatelliten-Verbindungen zur Kommandoübergabe und Datensammlung.
-
Insbesondere besteht die vorliegende Erfindung darin, einen oder mehrere Klein/Mikro-Satelliten als Hilfssatelliten zu benutzen, die ausschließlich zur Übergabe von Kommandos von einer Bodenstation zu einem Beobachtungssatelliten oder zum Überbrücken zweier Beobachtungssatelliten und/oder zur Datenlieferung von einem Satelliten zu einer Bodenstation bestimmt sind.
-
Die Intersatelliten-Verbindungen mittels der Hilfssatelliten können faktisch entweder zum Überbrücken eines Kommandos von der Bodenstation zu demjenigen Erdbeobachtungssatelliten der Beobachtungssatelliten-Konstellation, der den frühesten Zugang zu einem angeforderten Bild hat, aber nicht rechtzeitig kommandiert werden kann, oder zum Übergeben von Bilddaten von einem Beobachtungssatelliten zu einem anderen Beobachtungssatelliten mit einem früheren Bodenstationszugang verwendet werden.
-
Dieser Hilfssatellit bzw. diese Hilfssatelliten, die im Folgenden auch als ”Kurier-Satelliten” bezeichnet werden, können in eine Beobachtungssatellitenkonstellation eingefügt werden oder eine unterschiedliche Konstellation in einer unterschiedlichen Höhe bilden.
-
Die Kurier-Satelliten werden faktisch wie kleine mobile Bodenstationen verwendet, die sich allerdings entsprechend Relaisstationen in einer Erdumlaufbahn bewegen.
-
Die Hauptvorteile dieser durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Lösung bestehen darin, dass als Kurier-Satelliten sehr kostengünstige und technisch wenig aufwendige Satelliten verwendet werden können (Lösung zu den vorher genannten Punkten 1, 4 und 5), keine weiteren zweckbestimmten Bodenstationen oder Beobachtungssatelliten zum Reduzieren der Systemreaktionszeit notwendig sind (Lösung zu den vorher genannten Punkten 1, 2 und 4) und die Kurier-Satelliten die Leistungsfähigkeit von bereits betriebenen Erdbeobachtungssatellitenkonstellationen verbessern können.
-
Ein anderer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Konstellation von Kurier-Satelliten nicht nur zum Verbessern der Operationen von einer anderen Konstellation von Erdbeobachtungssatelliten zweckbestimmt werden muss, sondern auch zum Verkürzen der Kommandierungszeit zu jedem beliebigen anderen aktiven Satelliten, der um die Erde umläuft und der im Übertragungsbereich liegt, benutzt werden kann.
-
Ein Kurier-Satellit kann eine oder in möglicher Kombination mehrere der nachfolgend angeführten Fähigkeiten aufweisen:
- a) Kommandoübergabe von einer Bodenstation zu einem Erdbeobachtungssatelliten.
- b) Kommandoübergabe von einem anderen Kurier-Satelliten zu einem Erdbeobachtungssatelliten.
- c) Datensammlung und -speicherung aus einem Erdbeobachtungssatelliten und Hinunterladen (Download) auf eine Bodenstation.
- d) Datensammlung und -speicherung aus einem anderen Kurier-Satelliten und Hinunterladen (Download) auf eine Bodenstation.
-
Für Kurier-Satelliten, die lediglich zur Kommandoübergabe zweckbestimmt sind, ist der technische Einsatz minimiert, da auf sehr einfachen Satelliten angebrachte S-Band-Rundstrahl-Antennen diese Aufgabe erfüllen können. Die Höhe der Kurier-Satelliten bestimmt auch ihre Anzahl: je größer die Höhe ist, desto weniger Kurier-Satelliten sind erforderlich, um einen bestimmten Übertragungsbereich abzudecken, jedoch muss die Sendereichweitenfähigkeit länger werden. Natürlich müssen die Umlaufbahnen der Kurier-Satelliten entworfen werden, um eine hohe Durchlaufrate über der kommandierenden Bodenstation zu erreichen.
-
Sollen Kurier-Satelliten eine Datensammlungsfähigkeit besitzen, so hat diese Funktion größere Abmessungen und höhere technische Komplexität der Kurier-Satelliten zur Folge.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.
-
Anhand der beigefügten 1 bis 6, die verschiedene Hemisphärenansichten der Erde mit Erdbeobachtungssatelliten und Kurier-Satelliten zeigen, werden im Folgenden die Hauptkomponenten und -funktionen eines Systems nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
-
Im Einzelnen handelt es sich bei den in 1 bis 6 dargestellten Beispielen um eine Erdbeobachtungssatellitenkonstellation, die aus vier Erdbeobachtungssatelliten SAT1, SAT2, SAT3 und SAT4 in polaren, um die Erde E verlaufenden Umlaufbahnen gebildet wird, die auf zwei senkrecht aufeinander stehende Orbitalebenen verteilt sind. Die Phasendifferenz zwischen zwei Erdbeobachtungssatelliten in der gleichen Ebene beträgt 180°. Die Differenz der wahren Anomalie von zwei Satelliten in verschiedenen Ebenen beträgt 90°.
-
Es ist eine fest positionierte Bodenstation BOD zur Bilddaten anfordernden Kommandoabgabe und zur Datensammlung vorgesehen.
-
Es werden nachfolgend anhand von 1 bis 6 einige Beispiele der Verwendung von Kurier-Satelliten COURIER 1 bzw. COURIER 1 und COURIER 2 in verschiedenen Orbits und Konfigurationen und mit unterschiedlichen, kombinierbaren Fähigkeiten beschrieben, die vorher unter den Punkten a, b, c und d aufgeführt worden sind.
-
1 bis 3 stellen eine einfache zeitliche Abfolge von Funktionen des Systems unter Verwendung eines Kurier-Satelliten COURIER 1 dar.
-
Zu dem in 1 dargestellten Zeitpunkt empfängt der Kurier-Satellit COURIER 1 von der Bodenstation BOD Zeitmarken-Kommandos, die zum Erdbeobachtungssatelliten SAT1 übergeben werden sollen und eine Anforderung zur Herstellung von Erdbeobachtungsbildern beinhalten. Zu dem in 2 dargestellten Zeitpunkt übergibt der Kurier-Satellit COURIER 1 die Zeitmarken-Kommandos an den Erdbeobachtungssatelliten SAT1. Nach Anfertigung der kommandierten Bilder im Erdbeobachtungssatelliten SAT1 werden die diese Bilder betreffenden Daten zu dem in 3 dargestellten Zeitpunkt vom Erdbeobachtungssatelliten SAT1 direkt zur Bodenstation BOD hinuntergeladen, ohne dass der Kurier-Satellit COURIER 1 als Relaisstation dienen muss.
-
4 bis 6 zeigen andere mögliche Anwendungen von Kurier-Satelliten in einem System nach der vorliegenden Erfindung.
-
Entsprechend dem in 4 dargestellten Fall sendet der Erdbeobachtungssatellit SAT1 Bilddaten zum Kurier-Satelliten COURIER 1, der sie dann zur Bodenstation BOD hinunterlädt.
-
Gemäß dem in 5 dargestellten Fall übergibt der Kurier-Satellit COURIER 1 vorher aus der Bodenstation BOD empfangene Zeitmarken-Kommandos, die eine Anforderung an den Erdbeobachtungssatelliten SAT1 zur Herstellung von Erdbeobachtungsbildern beinhalten, an den Kurier-Satelliten COURIER 2, der diese Kommandos dann an den Erdbeobachtungssatelliten SAT3 übergibt.
-
6 zeigt einen Zeitpunkt, zu dem der Kurier-Satellit COURIER 1 vorher aus der Bodenstation BOD empfangene Zeitmarken-Kommandos an den Kurier-Satelliten COURIER 2 übergibt, der sie an einen der Satelliten, z. B. SAT1, der Erdbeobachtungssatellitenkonstellation übergibt. Der Kurier-Satellit COURIER 2 übergibt vorher von einem Beobachtungssatelliten der Konstellation empfangene Bilddaten an den Kurier-Satelliten COURIER 1, der sie dann zur Bodenstation BOD hinunterlädt.
-
Bezugszeichenliste
-
-
- BOD
- Bodenstation
- COURIER 1, COURIER 2
- Klein/Mikro-Kurier-Satelliten
- E
- Erde
- SATT, SAT2, SAT3, SAT4
- Erdbeobachtungssatelliten