Das Experiment

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Motivation

Kommunikation mit Hilfe von Licht bzw. Lasern gewinnt aufgrund der hohen erreichbaren Datenraten, bei gleichzeitiger minimaler Sendeleistung, in der Raumfahrt immer mehr an Bedeutung. Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Kommunikationssystemen via Funk sind ein kleineres Bauvolumen und eine geringere Masse. Laserkommunikation wird zurzeit schon für das übermitteln von Datenpaketen zwischen zwei Satelliten genutzt.

Neben den Kommunikationsverbindungen zwischen Satelliten werden auch Verbindungen zwischen Satellit und Bodenstation benötigt. Hier beeinflussen die an der Bodenstation herrschenden Wetterbedingungen die zu erreichende Datenrate stark. Aus diesem Grund existiert bisher keine dauerhafte Kommunikationsverbindung zwischen einer Bodenstation auf der Erde und einem Satellit. Wir von LOTUS-D wollen deshalb in unserem Experiment unter anderem herausfinden, inwiefern atmosphärische Faktoren, wie zum Beispiel Luftfeuchtigkeit, Staubpartikel oder Wasserkristalle Einfluss auf das empfangenes Signal bzw. die Datenraten hat.

Wie ist unser Experiment aufgebaut?

LOTUS-D (Light Optical Transmission-Experiment of Unisversity Students – Data) ist ein Experiment welches eine Kommunikationsverbindung via Licht zwischen einer kleinen mobilen Bodenstation und einem Wetterballon aufbauen soll. Abhängig von der zur Verfügung stehenden Lichtleistung, dem Abstand zum Ballon und den aktuell am Startgelände vorherrschenden Wetterbedingungen soll die maximal erreichbare Datenrate ermittelt werden.

Hierzu wird mit Hilfe einer starken modulierten LED, welche über ein Teleskop parallelisiert auf die Ballongondel gerichtet wird, ein standardisierter Testcode übermittelt werden. Der Testcode soll mittels Intensitätsmodulation auf dem Lichtstrahl aufgebracht werden. Anschließend wird der Lichtstrahl über ein Teleskop auf geweitet und Richtung Ballon gesendet. Für die Ausrichtung des Teleskops muss die Montierung auf wenige Bogensekunden genau ausrichtbar sein. An der Gondel wird der Lichtstrahl detektiert und aufgenommen. Über einen Vergleich mit dem hinterlegten Code wird die erreichbare Datenrate in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen und Entfernung analysiert. On-Board soll die sich hieraus ergebende Bitfehlerrate ermittelt werden.

Das Pointingsystem, mit dem der Lichtstrahl auf die Gondel ausgerichtet wird, spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Die Nachverfolgung des Ballons geschieht mittels eines automatischen Bilderkennungs-Verfahren. Hierzu wird eine handelsübliche Kamera parallelisiert auf ein Teleskop montiert. Das Teleskop wird mithilfe von Servomotoren auf dem Stativ frei bewegbar bzw. digital ansteuerbar sein. Ziel ist es, dass beim Anschalten des Systems ein automatischer Suchlauf nach der Form und der Farbe des Ballons sucht und diesen, wenn gefunden, präzise anvisiert und in einer Distanz von bis zu 200 km seine Bewegungen verfolgt. Der geplante Versuchsaufbau der Bodenstation ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 2: Die Bodenstation

In der Gondel des Ballons wird das Empfangsmodul befestigt sein, dieses besteht aus einer Fischaugenlinse, einem Photodetektor, einer Sendeeinheit und Unterstützungseinheiten wie zum Beispiel einem GPS Sensor oder einem Rasperry Pi. Während dem Experiment soll die Fischaugenlinse, den ausgesendeten Lichtstrahl aus einem Winkel von bis zu 180° aufnehmen und auf den Photosensor leiten. Dieser wird die auf dem Lichtstrahl aufgebrachten Informationen mithilfe des Rasperry Pi dekodieren und über das Funkmodul zurück an die Bodenstation senden. Anhand der empfangenen Daten an der Bodenstation lässt sich im Abgleich mit den zum Ballon gesendeten Informationen anschließend bzw. eine Aussage zu Fehlerraten und Datenraten treffen. In Abbildung 2 ist der schematische Aufbau der fliegenden Einheit dargestellt.

Abbildung 3: Schematischer Aufbau der fliegenden Einheit