EIVE - Exploratory in-orbit verification of an E/W-band satellite communication link

Abstract

Das Projekt EIVE („Exploratory In-Orbit Verification of an E/W-Band Satellite Communication Link“) untersucht die Nutzung des E- bzw. W-Bands (71–76 GHz und 81–86 GHz) für Satellitenkommunikation, um zukünftige Anforderungen an High-Speed-Verbindungen zu erfüllen. Diese Frequenzbereiche bieten hohe Bandbreiten und ermöglichen kompakte Bauformen für Satellitensysteme. Ziel ist die Entwicklung eines Nanosatelliten-basierten Kommunikationssystems mit leistungsstarker Sendetechnik sowie einer Bodenstation für den E-Band-Empfang. Das Projekt stützt sich auf eine Reihe von Vorarbeiten, darunter die vom DLR geförderten Projekte GISALI, ACCESS und ELIPSE, die leistungsstarke E-Band-Komponenten entwickelten und in terrestrischen sowie Flugzeug-zu-Boden Experimenten erfolgreich einsetzten. Der Projektverbund aus Universität Stuttgart mit ihren zwei beteiligten Instituten für Robuste Leistungshalbleitersysteme (ILH) und Raumfahrtsysteme (IRS), Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Radiometer Physics GmbH und Tesat Spacecom GmbH entwickeln im Projekt EIVE auf Basis dieser Vorarbeiten neue Kommunikationstechnologien und passen bestehende Systeme an die Zielanforderungen an. Im Raumsegment wird ein innovativer Nanosatellitenbus entwickelt, der eine Nutzlast mit eigens entworfenen Galliumnitrid (GaN) Solid-State-Power-Amplifier und Indiumgalliumarsenid (InGaAs) basierenden Vorverstärkern enthält. Eine speziell entwickelte Antenne für die 6U-Cubesat Plattform im niedrigen Erdorbit ermöglicht hohe Datenraten im Weltraum-zu-Boden Datendownlink auch bei widrigen atmosphärischen Bedingungen. Ergänzend dazu wird im Bodensegment eine neuartige E-Band-Bodenstation konzipiert und mit eigens entworfenen, extrem rauscharmen InGaAs-basierenden Halbleiterschaltungen realisiert, um die Breitbanddaten zu verarbeiten und den Satelliten mit einer hoch gerichteten Parabolantenne präzise zu verfolgen. Eine der zentralen Herausforderungen ist die Entwicklung miniaturisierter und hochleistungsfähiger Hochfrequenz-Komponenten für die anspruchsvollen Anforderungen im hohen Millimeterwellen-Frequenzbereich. Es werden GaN-basierende Verstärker und optimierte Antennensysteme eingesetzt, um hohe Datenraten von mehreren Gigabit pro Sekunde zu ermöglichen. Weiterhin erfordert die Entwicklung der Bodenstation eine präzise Signalverarbeitung und Temperaturregelung, um Schwankungen während der Satellitennachverfolgung zu minimieren. Der im Juni 2023 mit der Transporter-8 Mission von SpaceX gestartete 6U-Cubesat konnte im All erfolgreich über die S-Band TTC-Kommunikationsstrecke in Betrieb genommen werden. Bilder von der in der Nutzlast enthaltenen Kamera konnten erfolgreich im Satelliten verarbeitet und an die Bodenstation übertragen werden und Experimente mit den am Satelliten angebrachten Solarzellen konnten mit sehr guten Ergebnissen durchgeführt werden. Jedoch gelang es bis zum Abschluss des Projektes nicht, eine stabile Verbindung im E-Band herzustellen. Die in dem Zusammenhang durchgeführten Untersuchungen legen nahe, dass Gründe dafür mutmaßlich in einer nicht ausreichend präzisen Ausrichtung zwischen Satellit und Bodenstation an der Universität Stuttgart sowie bis zuletzt ungeklärte Probleme bei der Inbetriebnahme des Payload-Computers im Satelliten liegen. Dementsprechend konnte kein Versuch der In-Orbit-Verifikation eines breitbandigen E-Band Daten-Downlinks mit der wissenschaftlichen Nutzlast unternommen werden. Dennoch konnte mit der erfolgreichen Entwicklung der wissenschaftlichen Satellitennutzlast und der dazu gehörigen Bodenstation, sowie der erfolgreichen Entwicklung und Inbetriebnahme der Satellitenplattform die grundsätzliche Machbarkeit von Breitbandkommunikation im E/W-Band und der Umsetzung auf einer CubeSat Plattform durch das Projekt demonstriert werden. Das schließt explizit auch den Nachweis zur Erzeugung ausreichend hoher Sendeleistung und die Analyse aller missionsspezifischen Störeinflüsse ein. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen wesentlich zur Weiterentwicklung der Satellitenkommunikation bei und sind insbesondere für die Definition von Nutzlasten in kommerziellen Telekommunikationssatelliten, zukünftige Konstellationen im niedrigen Erdorbit (LEO) und für die Integration in terrestrische Netze von Bedeutung. Zudem kann das Verständnis atmosphärischer Einflüsse auf Signale im E/W-Band vertieft werden, was eine Grundlage für die Planung zukünftiger Systeme bildet.