Ausgewählte Technologien: Starlink-Konstellation

SpaceX sagt, dass Satelliten Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen an Orten bereitstellen können, an denen es nur begrenzte Verbindungen oder Probleme mit der Infrastruktur gibt. In der Tat haben Unternehmen wie Hughes Network Systems und Viasat genau das seit einiger Zeit mit dem Einsatz von Satelliten in geostationären Umlaufbahnen getan (Quelle: Hughes, Viasat). Ein großer Nachteil bei der Internetübertragung über geostationäre Satelliten ist jedoch die "Latenzzeit". Unter Latenz versteht man die Zeit, die eine Anfrage von Ihrem Computer benötigt, um ihr Ziel zu erreichen und eine Antwort zurück zu erhalten. Für die meisten Anwendungsfälle wie Web-Browsing, Video-Streaming usw. ist die Latenzzeit kein großes Problem. Für zeitkritische und Echtzeitanwendungen wie Videokonferenzen, wettbewerbsorientierte Spiele, Finanztransaktionen, börsenbezogene Anwendungen usw. ist eine niedrige Latenzzeit jedoch von großer Bedeutung.

In einem neuen Schritt zur Lösung des Latenzproblems hat SpaceX nach eigenen Angaben mit seinem Satelliten-Internetdienst eine Latenzzeit von weniger als 20 Millisekunden erreicht, was mit den derzeitigen Breitbanddiensten vergleichbar ist. SpaceX lädt die Öffentlichkeit sogar dazu ein, an Betatests seines Hochgeschwindigkeits-Internetdienstes mit geringer Latenzzeit teilzunehmen, der von über 500 funktionierenden Satelliten bereitgestellt wird. Bis zu 12 000 Satelliten sollen im Rahmen des Starlink-Projekts von SpaceX in niedrige Erdumlaufbahnen gebracht werden. Dies hat zwar den Zorn von Astronomen auf sich gezogen und die Sorge vor zusätzlichem Weltraumschrott geweckt, doch gilt das Satellitennetzwerk als unverzichtbar für die Bereitstellung von Internetdiensten in größerem Umfang. Was macht die Starlink-Konstellation von SpaceX also anders?

Die Starlink-Konstellation von SpaceX unterscheidet sich grundlegend von den derzeit bestehenden Systemen. Sie nutzt in erster Linie eine Gruppe von Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn anstelle eines einzelnen geostationären Satelliten, um ein geografisches Gebiet abzudecken. Diese Abdeckung ist unten abgebildet. Zur weiteren Vereinfachung: Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in New York und die Daten einer Website, die Sie besuchen möchten, sind auf einem Server in Los Angeles gespeichert. Wenn Sie mit dem bestehenden satellitengestützten Internet eine Website aufrufen möchten, wird die Anfrage an den Satelliten in der geostationären Umlaufbahn gesendet und von dort an die Server in Los Angeles weitergeleitet. Die Server in Los Angeles übermitteln dann die Antwort zurück an den Satelliten in der geostationären Umlaufbahn, von wo aus sie an Ihr Gerät in New York gesendet wird. Aufgrund der Höhe des geostationären Satelliten (ca. 22.000 Meilen) müssen Anfrage und Antwort eine sehr lange Strecke zurücklegen, was zu einer hohen Latenzzeit führt.

Illustration der Abdeckung durch einen geostationären Satelliten und Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn.

Die Starlink-Satelliten von SpaceX befinden sich alle in einer niedrigen Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) und damit viel näher an der Erdoberfläche als ein geostationärer Satellit (etwa 340 Meilen Höhe). Aufgrund ihrer Nähe zur Erdoberfläche ist jedoch die von einem einzelnen Satelliten abgedeckte Fläche für die Kommunikation im Vergleich zu geostationären Satelliten sehr gering. Daher sind mehrere Satelliten erforderlich, um den gleichen Abdeckungsbereich wie ein einzelner geostationärer Satellit zu erreichen. Herkömmlicherweise können aktuelle Satelliten Daten nur mit Bodenstationen senden und empfangen, so dass mehrere strategisch platzierte Bodenstationen erforderlich sind, um Anfragen von einem Satelliten zum anderen bis zum Zielserver weiterzuleiten. Die Starlink-Satelliten sind jedoch mit direkten drahtlosen Kommunikationsverbindungen ausgestattet, die es jedem der Satelliten in der Konstellation ermöglichen, direkt mit anderen Satelliten in der Nähe zu kommunizieren. Dadurch ergibt sich ein direkterer Weg zum Zielserver in Los Angeles und zurück zur Quelle in New York. Dank dieser Fähigkeit, ein Kommunikationsnetz zu bilden, können die Starlink-Satelliten Kommunikationsverbindungen mit geringer Latenzzeit bereitstellen und so das mit geostationären Satelliten verbundene Latenzproblem lösen.

Die Megakonstellation könnte auch andere Anwendungen haben, wie z. B. eine Alternative zur GPS-Navigation, indem sie eine ununterbrochene Verbindung und Präzision bietet, was für die US-Armee von Interesse ist. SpaceX hat kürzlich enthüllt, dass es den Einsatz von Lasern für die Kommunikation zwischen Satelliten getestet hat (Quelle: Link). Der Laser ist zwar nicht so leistungsfähig wie der des fiktiven Todessterns, ermöglicht aber die Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen über große Entfernungen mit einer extrem hohen Bandbreitenobergrenze und einer noch geringeren Latenzzeit.

Im Gegensatz zu geostationären Satelliten bewegen sich Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen ständig auf ihren Bahnen in Bezug auf die Erdoberfläche. Die technischen Herausforderungen, die es der Starlink-Konstellation ermöglichen sollen, einen nahtlosen Internetdienst zu erbringen, hängen in erster Linie mit der Ortung zusammen. Dazu gehören die Fähigkeit der einzelnen Satelliten, andere Satelliten zu orten und automatisch eine optische Verbindung herzustellen, um ein Netz zu bilden, sowie die Fähigkeit der Sende- und Empfangsgeräte am Boden, die relative Position der Satelliten in Reichweite zu verfolgen und sich automatisch neu auszurichten, um eine Verbindung mit den Satelliten herzustellen. Wie geht SpaceX mit diesen Herausforderungen um? Können Patentdokumente Aufschluss darüber geben?

Wir können davon ausgehen, dass Elon Musk auf die relativ geringe Bedeutung von Patenten (und vielleicht die Abhängigkeit von Geschäftsgeheimnissen) für die Raketentechnologien von SpaceX im Vergleich zu den anderen etablierten Unternehmen im Luft- und Raumfahrtsektor hinwies. Eine schnelle Überprüfung ergab, dass SpaceX bereits am 17. März 2009 ein Patent erteilt wurde(US7503511B2). Diese Darstellung, dass SpaceX im Wesentlichen keine Patente hat, trifft nicht mehr zu, da SpaceX Anfang 2016 begann, Patente im Zusammenhang mit seinen Starlink-Antennen anzumelden. Mit Stand vom 24. September 2020 verfügt SpaceX über insgesamt 28 veröffentlichte Patentanmeldungen (3 erteilte US-Patente, 9 anhängige US-Anmeldungen, 9 PCT-Veröffentlichungen und 7 taiwanesische Anmeldungen).

Wortwolke der SpaceX-Patente/Anmeldungen

Eine schnelle Suche nach Patenten im Zusammenhang mit Antennenanordnungen für satellitengestütztes Internet/Kommunikation ergibt 12 473 Patente und Anmeldungen. Wir haben die SpaceX-Patente im Zusammenhang mit satellitengestützten Internetkonstellationen untersucht, um herauszufinden, ob es ein Rezeptbuch für die Bewältigung der technischen Herausforderungen gibt.

Das am 4. August 2005 eingereichte US-Patent Nr. 7,503,511 mit dem Titel "Pintle Injector Tip with Active Cooling" befasst sich mit der Pintle-Spitze in der Nähe der Brennkammer einer Bipropellant-Rakete. Herkömmliche Pintle-Injektorspitzen verwenden oft ablative Oberflächen auf der stromabwärtigen Seite der Pintle-Injektorspitze, um die stromabwärtige Seite vor Hitzeschäden zu schützen. Das in diesem Patent offenbarte Design des Pintile-Injektors hat erste und zweite Öffnungen mit wesentlich unterschiedlichen Weglängen vom zentralen Durchgang durch das Material der Spitze. Herkömmliche primäre Öffnungen sind so konfiguriert, dass sie eine kurze Länge durch einen relativ dünnen Abschnitt der Spitzenwand haben, und die sekundären Öffnungen, die der stromabwärts gelegenen Fläche des Pintile-Injektors am nächsten liegen, sind so konzipiert, dass sie eine längere Weglänge durch einen relativ dickeren Abschnitt der Spitzenwand haben. Die zusätzliche Länge des Weges dient der Kühlung der Zapfenspitze. Diese Konstruktion verringert auch absichtlich die Effizienz der Treibstoffdurchmischung, so dass die heißeren Verbrennungsbereiche effektiv etwas stromabwärts von der Stirnfläche der Stiftspitze verlagert werden, wodurch die Notwendigkeit einer Ablationsschicht auf der Stirnfläche der Stiftspitze verringert wird.

US7503511B2 mit dem Titel "Pintle Injector Tip mit aktiver Kühlung"

Das am 5. Oktober 2016 eingereichte US-Patent Nr. 10,486,389 mit dem Titel "Laser-perforiertes Metallwabenmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung" beansprucht ein Verfahren zur Herstellung von perforiertem Metallwabenmaterial. Die Metallwabenstruktur ist aufgrund ihres Verhältnisses von Gewicht zu Festigkeit für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sehr beliebt. Die Perforation der Wabenstruktur ermöglicht es der in den Wabenzellen eingeschlossenen Luft, sich frei zu bewegen und bei schnellen Änderungen des atmosphärischen Drucks zu entweichen. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein Laser verwendet, um Perforationen auf einem Metallblech zu erzeugen, und zwar entweder vor dem Bedrucken der Metallfolienrolle mit Klebelinien oder nach dem Bedrucken der Klebelinien; anschließend werden die Bleche zu einer Vielzahl gestapelter Bleche verarbeitet, wobei die Klebelinien zwischen den einzelnen nebeneinander liegenden Blechen überlagert werden, und schließlich werden die Bleche vor der Expansion zu einer Wabe laminiert.

Abb. 3: US10486389B2 mit dem Titel "Laserperforiertes Metallwabenmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung"

Die am 14. Februar 2019 eingereichte US-Patentveröffentlichung Nr. 20190253125 mit dem Titel "Beamformer Lattice for Phased Array Antennas" hat 22 weitere Mitglieder der INPADOC-Familie, die sich alle auf Strahlformung, Selbstmultiplexing und Signalführung in einer phasengesteuerten Antenne beziehen. Dieses Patent offenbart insbesondere eine Vielzahl von Strahlformerzellen, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, wobei jede Strahlformerzelle einen Strahlformer mit einer Vielzahl von Eingängen, Eingangsdurchlässen mit ersten und zweiten Enden, Ausgängen und Ausgangsdurchlässen mit dritten und vierten Enden umfasst. Das erste Ende jedes Eingangsvias ist mit einem entsprechenden Eingang und das zweite Ende mit einem abschließenden Leiterbahnsegment eines Multiplex-Speisenetzes verbunden, das sich in einer zweiten Schicht befindet. Das dritte Ende jedes Ausgangsvias ist mit einem entsprechenden Ausgang und das vierte Ende mit einem Antennenelement in der dritten Schicht verbunden. Da der Strahlformer in der ersten Schicht positioniert ist, wird der Leitweg zu den zugehörigen Antennenelementen minimiert.

US20190253125A1 mit dem Titel "Beamformer-Gitter für Phased Array-Antennen"

Das am 28. Februar 2018 eingereichte US-Patent Nr. 10,770,790 mit dem Titel "Uni-Dimensional Steering of Phased Array Antennas" (Eindimensionale Steuerung von phasengesteuerten Gruppenantennen) scheint ein Verfahren zur Steuerung einer verbesserten phasengesteuerten Gruppenantenne mit erhöhter Bandbreite zu offenbaren, die gleichzeitig ein hohes Verhältnis zwischen der Leistung der Hauptkeule und der Leistung der Nebenkeule aufweist. Das offengelegte Verfahren identifiziert eine sich wiederholende Bodenspur der Satellitenkonstellation in einer ersten Richtung und richtet die phasengesteuerte Gruppenantenne in der ersten Richtung aus, wobei die Antenne eine Vielzahl von Antennenelementen aufweist, die in Spalten und Reihen verteilt sind, wobei die Antennenelemente in den Spalten in einer ersten Richtung ausgerichtet sind und die Reihen sich in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung erstrecken. Das offenbarte Verfahren erhöht ferner die Verstärkung in der zweiten Richtung und schaltet einzelne Antennenelemente zumindest teilweise auf der Grundlage der Ausrichtung der einzelnen Antennenelemente relativ zu den Satelliten der Satellitenkonstellation ein und aus, und die Ausrichtung des Antennenelements ist mit der Stärke des an dem Antennenelement von dem Satelliten der Satellitenkonstellation empfangenen HF-Signals korreliert.

US10770790B1 mit dem Titel "Eindimensionale Steuerung von Phased-Array-Antennen"

Interessant ist, dass Musk die etablierteren Luft- und Raumfahrtunternehmen und Technologiefirmen in den USA und Europa nicht als langfristige Konkurrenten von SpaceX betrachtet. Boeing zum Beispiel meldet mit rund 51.000 Patenten und Veröffentlichungen sehr viele Patente an. Auch Unternehmen wie Amazon, Google und Facebook haben ihr Interesse an der Technologie bekundet.

Das Google zugewiesene US-Patent Nr. 9,973,267, das am 16. September 2016 eingereicht wurde und den Titel "Satellitenkonstellation" trägt, scheint ein Kommunikationssystem zu offenbaren, das eine Konstellation aus einer ersten Gruppe von Satelliten und einer zweiten Gruppe von Satelliten umfasst, die die Erde umkreisen. Jeder Satellit hat eine Flugbahn mit einer Neigung von weniger als 90 Grad in Bezug auf den Äquator der Erde. Die beiden Gruppen von Geräten befinden sich in unterschiedlicher Höhe über der Erde. Die Satelliten enthalten eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mit einer Quell-Bodenstation, der Satellitenkonstellation und der Ziel-Bodenstation kommuniziert, um einen Routing-Pfad zwischen Quell- und Ziel-Bodenstation zu bestimmen. Der Routing-Pfad wird auf der Grundlage einer Bewertungsfunktion einer oder mehrerer Entfernungen zwischen der Quelle und dem Ziel, einer Kapazität einer Inter-Satellitenverbindung zwischen zwei Geräten, eines Betriebsstatus eines Kommunikationsgeräts und einer Signalstärke eines Kommunikationsgeräts bestimmt.

US9973267B2 mit dem Titel "Satellitenkonstellation"

SpaceX-Patente stehen weitgehend in keinem Zusammenhang mit seinen Raketen und Trägerraketen, mit Ausnahme eines Patents, das sich auf ein einzelnes Bauteil (Pintle-Injektorspitze) in einem Raketentriebwerk bezieht, und eines weiteren Patents, das ein Herstellungsverfahren für eine Metallwabenstruktur mit Perforationen betrifft. Die Patentierungsstrategie von SpaceX scheint sich, wie aus anderen Gebrauchsmusterveröffentlichungen hervorgeht, auf neuartige und neue Implementierungen von Antennensystemen zu konzentrieren: Phased-Array-Antennenentwurf, Verfahren zur Signalführung, Strahlformung und Ausrichtung. Dies steht im Einklang mit den technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verfolgung und Positionierung sowohl der Satelliten in der Konstellation als auch mit den Bodeneinheiten.

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