Hylas-1 bringt europäische TK-Technologien voran

Hylas-1 Satellit
25 November 2010

Hylas-1, der erste Satellit, der speziell entwickelt wurde, um europäischen Nutzern einen Breitband-Internetzugang zu ermöglichen, ist ein kommerzielles Projekt. Er stellt aber auch, nach einer Dekade von Forschungs- und Entwicklungsarbeit seitens der ESA und der europäischen Industrie, eine bedeutende technologische Errungenschaft dar.

Mit einer Startmasse von etwas über 2,5 Tonnen und auf einer indischen Plattform basierend, gehört Hylas-1 eher zu den kleineren Telekommunikationssatelliten, aber aufgrund seiner neuartigen Technologie kann er Internetzugänge für hunderttausende zahlende Kunden in ganz Europa ermöglichen.

Dieser erste „hochanpassungsfähige Satellit” ist die erste öffentlich-private Partnerschaft der ESA, die in einer operationellen Mission resultiert. Der Betreiber aus Großbritannien, Avanti Communications, stellt den größten Teil des Budgets, der Beitrag der ESA ist die hochentwickelte Kommunikations-Nutzlast auf Hylas-1. Avanti gewinnt dadurch einen leistungsfähigeren Satelliten, während die fortschrittlichen europäischen Technologien somit schneller in Betrieb genommen werden können.

Hylas-1 artwork
Hylas-1 im geostationären Orbit

Forschung und Entwicklung im Bereich der Telekommunikation ist schon immer eine Priorität der ESA gewesen. Deutlich macht dies das ARTES Programm (Advanced Research in Telecommunications Systems). Im Weltall ist der Telekommunikationssektor, in kommerzieller Hinsicht, mit Sicherheit der am weiten Fortgeschrittenste. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass der dauerhafte Erfolg Europas auf diesem Markt die wirtschaftliche Untermauerung der anderen europäischen Unternehmungen im Weltall darstellt.

Telekommunikation birgt auch großen sozialen Nutzen: Satelliten als flexiblem Instrument, mit dem globale Kommunikationsnetzwerke ausgebaut werden können – von TV-Übertragungen, Telefonie bis hin zu Breitband-Internet.

Flexibilität ins All bringen

Hylas-1 antennas
Hylas-1

Bei einer konventionellen Telekommunikationsnutzlast werden Empfangsfrequenz des Transponders, Bandbreite und Sendefrequenz bereits während der Entwicklungsphase festgelegt, üblicherweise bereits Jahre bevor der Satellit zum Einsatz kommt.

Telekommunikationssatelliten haben üblicherweise eine Lebensdauer von bis zu 15 Jahren. Meist ist es jedoch nicht möglich, ihre Leistungen den sich wandelnden Bedürfnissen der Märkte unter ihnen anzupassen. Bis jetzt.

“Die Betreiber von Hylas-1 können Bandbreite, Frequenz und die Sendeleistung der Kommunkations-Nutzlast anpassen“, sagt Andrea Cotellessa, Hylas-1 Projektmanager.

“Dies ist eine ganz neue Fähigkeit, basierend auf einem Nutzlast-Konzept, das sich “Generic Flexible Payload” (GFP – generisch flexible Nutzlast) nennt und von Astrium UK im Auftrag der ESA entwickelt wurde.

Hylas-1 in operation
Hylas über Europa

Der Satellit verfügt über eine separate Antenne an jeder Seite, von denen die eine ein breites Ku-Band Signal für TV-Übertragungen und andere Standard-Satellitendienste sendet, und die andere ein Ka-Band in höherer Frequenz für Übertragungsdienste, die acht Richtstrahlen auf den europäischen Markt richten und dadurch die Effizienz durch Wiederverwendung der zugeteilten Radiofrequenzen zwischen den Richtstrahlen maximiert.

“Der Betreiber kann genau abstimmen, wie viel Bandbreite und Sendeleistung in jedem Strahl benötigt werden” erklärt Cotellessa. „ Für Betreiber ist es sehr wichtig, über diese Flexibilität zu verfügen, denn dadurch können Änderungen im Datenbedarf zeitnah abgleichen und die Satelliten so effizient und zukunftsorientiert den Marktbedürfnissen angepasst werden.

“Dies bedeutet auch, dass mit kleinen Satelliten eine große Zahl verschiedenster Kunden bedient werden können.”

Entwicklung der generisch flexiblen Nutzlast (Generic Flexible Payload)

Hylas-1 payload
Hylas im Test

Das Konzept der generisch flexiblen Nutzlast ist aus langjähriger Kooperation zwischen der ESA und Astrium im Bereich der technologischen Nutzlastforschung entstanden. Andrea Cotellessa erklärt: „Der Hauptaspekt der Forschungs- und Entwicklungsarbeit des Direktoriums für Telekommunikation und integrierte Applikationen der ESA, vertreten durch das ARTES Programm, besteht darin, verschiedene Telekommunikationssysteme der nächsten Generation zu untersuchen; unsere Mitwirkung am GFP Konzept ist Teil davon.“

Die Arbeiten daran starteten 2003, als die ESA ein Forschungsprojekt von Astrium zur Entwicklung von „Modularen Mikrowellen Hybrid Technologien“ (MMHT) unterstützte.

Üblicherweise werden bei Telekommunikationssatelliten die Repeater –diejenigen Elemente, die die Outputsignale verstärken, verfeinern oder anderweitig konditionieren –individuell und maßgeschneidert gefertigt, was zu nicht unerheblichen Mehrkosten bei der Konstruktion führt.

MMHT module
Aufbau des MMHT Moduls

Beim MMHT-Ansatz hingegen soll die Repeater Produktion standardisiert werden, indem man ein Portfolio von Bausätzen für bestimmte Aufgaben entwickelt, wie zum Beispiel Frequenzwandler oder –verstärker. Diese als „Hybrids“ bezeichneten Schaltkreise können nach Bedarf kombiniert werden, um den unterschiedlichen Ansprüchen einzelner Missionen zu entsprechen.

Ein weiteres Projekt, das nächstes Jahr startet, produziert MMHT Module mit höherer Integration und Funktionalität. Sie werden auch als Hi-MMHT bezeichnet (High Integration – hohe Integration) und bestehen aus rund 2000 separaten Verbindungen.

Diese Technologien und Leistungsfähigkeiten, die im Auftrag der ESA entwickelt wurden, sind nun bei der Entwicklung der Hylas-1 Nutzlasteinheiten angewandt worden. Zusammen stellen sie die die generisch flexible Nutzlast dar.

Den Standard setzen

Hylas-1 AIDA
AIDA

Je nach geforderter Funktion arbeiten Telekommunikationssatelliten in verschiedenen Frequenzbereichen, wie dem C-Band für Telefonie und Kabel-TV Signaldistribution, dem Ku-Band für Fernsehübertragung und private VSAT- Netzwerke oder Ka-Band für Breitbandzugang.

Daher müssen Satellitenbauer nun nicht mehr separate Nutzsysteme für jeden Frequenzbereich entwerfen, sondern können durch die GFP-Bauweise die Frequenz der vom Satelliten empfangenen Signale auf eine Standard-Zwischenfrequenz im C-Band umsetzen, wo dann die Aufbereitung und das Routing aller Signale stattfindet.

Diese Frequenzumwandlung wird von einem elektronischen Bauteil ausgeführt, das sich „Agile Integrated Down-converter Assembly“ (AIDA) nennt - das erste Gerät, das im Rahmen der Hi-MMHT Technologie entwickelt wurde.

Auf Hylas-1 wird dieses Signal dann an eine statische Matrix weitergeleitet, das sogenannte „Routing and Switching Equipment“ (RASE). Während man hier ohne mechanische Verbindungen auskommt, kann RASE eine Verbindung zwischen jeglicher Paarung von Up- und Downlinks herstellen.

Hylas-1 SCACE
Hylas-1 SCACE

Das Signal wird dann weitergeleitet an das Herz der GFP, dem „Single Channel Agile Converter Equipment“, auch SCACE genannt.

Durch das SCACE die Bandbreite der Kanäle angepasst werden – zum Beispiel, um auf einen geänderten Bedarf aus einer speziellen geographischen Region zu reagieren und auf die gewünschte Frequenz zu wechseln.

Die Flexibilität, die GFP Hylas-1 ermöglicht, wird noch gesteigert durch eine weitere wegweisende Technologie, die von der ESA mit Unterstützung von Tesat-Spacecom in Deutschland entwickelt wurde, dem „In-Orbit Adjustbable Microwave Power Module „ (IOA-MPM). Durch dieses Modul können Signalleistungen der Nachfrage angepasst und eine fast konstante Effizienz beibehalten werden, wodurch ein Energieverlust in Form von Hitze vermieden wird.

Qualifiziert für den Einsatz im All

Hylas-1 double antenna
Hylas-1 Ka-Band Antenne

Die letzte Innovation ist die Sichtbarste: die größere der Antennen von Hylas-1, die von EADS Casa Espacio in Spanien sorgfältig für die Operationen im Ka-Band Hochfrequenzbereich optimiert wurde.

Die Präzision der sendenden Antennenoberfläche muss sehr genau sein, dabei aber auch den deformierenden Auswirkungen extremer Temperaturschwankungen im Orbit standhalten. Durch große Reflektionseigenschaften der Oberfläche muss eine unerwünschte Erhitzung vermieden werden.

“Die verschiedenen Komponenten der Hylas-1 Nutzlast sind durch co-finanzierte Projekte mit den genannten Firmen entstanden,“ sagt Andrea Cotellessa. „Nachdem die öffentlich-private Partnerschaft für Hylas-1 beschlossen wurde, erklärte sich die ESA bereit, die Komponenten weiter zu entwickeln und so für einen Einsatz im All zu qualifizieren.

Hylas-1 in orbit
Hylas-1 auf einer geostationären Umlaufbahn

“Hierzu wurden die strengsten Qualifizierungsprogramme benötigt, die man sich vorstellen kann: eine lange Reihe von immer anspruchsvolleren Tests, weitaus anspruchsvoller als die eigentlichen Missionsanforderungen.

“Aber am Ende wussten wir mit Sicherheit, dass die Technologie für einen Einsatz im All bereit ist.”

Noch vor seinem Start am 26. November hat sich Hylas-1 als richtungweisend erwiesen. Astrium bietet die GFP-Technologie seinen kommerziellen Telekommunikationskunden an. Ein weiteres IOA-MPM soll bei der Small GEO Mission der ESA eingesetzt werden, um als Demonstration einer neuen, kleinen, geostationäre Orbitalplattform zu dienen.

Ein kommerzieller Satellit herkömmlicher Größe, der Ka-Sat von Eutelsat, wird Hylas-1 und dessen Vorstoß auf den europäischen Breitbandmarkt in Kürze folgen.

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