Satellitentechnologie prägt unseren Alltag auf der Erde ganz entscheidend: in der Telekommunikation, Navigation, Erdbeobachtung und in der Wissenschaft. Wie selbstverständlich sorgen Satelliten unter anderem für einen vielfältigen Fernseh- und Radioempfang und machen beispielsweise die Live-Übertragung von Großereignissen wie Fußball-Weltmeisterschaften in die ganze Welt möglich. Sie verbinden die Menschen miteinander und ermöglichen Telefongespräche und Internetverbindungen bis in die entlegensten Gebiete. Satellitenbasierte Navigationssysteme ermöglichen neben den uns allen bekannten Navigationsdiensten auch präzise abgestimmte logistische Prozesse im weltweiten Warenhandel. Auch Wettervorhersagen und erkenntnisreiche wissenschaftliche Missionen werden erst durch moderne Satelliten besonders zuverlässig. Erdbeobachtungssatelliten liefern essenzielle Umweltdaten und erweitern unser Verständnis des Systems Erde. Satellitenanwendungen sorgen zudem für mehr Sicherheit auf der Erde.

Satelliten sind unverzichtbar für Mensch und Gesellschaft

Im Laufe der letzten Jahrzehnte sind die Anwendungsfelder von Satelliten und Satellitensystemen in der Raumfahrt vielfältiger geworden – und mit ihnen die Anforderungen an Satellitenentwicklung, Satellitenbau und Satellitenbetrieb. Vor allem institutionelle Raumfahrtorganisationen wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Europäische Weltraumorganisation (ESA) oder internationale Agenturen wie die NASA führen große Satellitenprojekte durch und beauftragen Firmen wie OHB mit deren Realisierung. Zunehmend sind auch kommerzielle Auftraggeber aktiv und die Big Data Welle bringt neue Dienstanbieter für Erdbeobachtungsdaten auf den Markt.

Kurze Definition: Was ist ein Satellit?

Ein Satellit ist ein Himmelskörper, der sich auf einer Umlaufbahn um ein anderes Objekt bewegt. Das Wort Satellit stammt aus dem Lateinischen („satelles“) und bedeutet so viel wie „Begleiter“ oder „Trabant“. Es gibt natürliche und künstliche Satelliten:

  • Natürlich entstandene Satelliten sind in der Astronomie Objekte, die einen größeren (massereicheren) Himmelskörper in einer unveränderlichen Bahn umkreisen. Satelliten, die einen Planeten umkreisen, werden auch als Monde bezeichnet.
  • Satelliten in der Raumfahrt werden von Menschen konzipiert und gebaut. Sie werden in eine Umlaufbahn gebracht – etwa von einer Trägerrakete. Diese Satelliten dienen einem bestimmten Zweck.

Satelliten werden immer leistungsfähiger

Im Oktober 1957 schickte die Sowjetunion mit „Sputnik I“ den ersten künstlichen Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn. Seitdem hat der Vorstoß in den Weltraum ungeahnte Dimensionen erreicht. Der erste Sputnik-Satellit wog etwas mehr als 80 kg, hatte einen Durchmesser von knapp 60 cm und konnte gerade einmal drei Wochen lang nur einfache Funksignale senden. Dennoch ermöglichten diese Signale bereits erste neue Erkenntnisse zum Aufbau der Erdatmosphäre.

Seither sind Satelliten immer leistungsfähiger geworden. Längst sind sie elementarer Bestandteil des täglichen Lebens auf der Erde – unverzichtbar für Mensch und Gesellschaft. Weil sie zum Alltag gehören, machen sich die wenigsten Menschen die technologischen und ökonomischen Höchstleistungen bewusst, die in jedem Satellitenprojekt stecken. Aber genau das gehört zum Alltag der Teams von OHB und seiner internationalen Tochtergesellschaften: Gemeinsam arbeiten die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in der OHB Gruppe daran, leistungsfähigere Satellitensysteme zu entwickeln, damit die Menschen von deren vielfältigen Diensten profitieren können.

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Die Vision von modularen Satelliten hat sich durchgesetzt

Lange Zeit schien in der Raumfahrt die Devise zu gelten: größer, schwerer, teurer. Aber auch im Satellitenbau hat die Arbeit von Pionieren unkonventionelle Konzepte hervorgebracht. Dafür steht stellvertretend der OHB-Unternehmensgründer Manfred Fuchs, der mit einfachen, effizienten und – vergleichsweise – kostengünstigen Satelliten grundlegende Pionierarbeit in der Raumfahrt geleistet hat.

Small but smart: Raumfahrtsysteme wollten wir – gegen den Trend – kleiner und kostengünstiger machen.

Dipl.-Ing. Manfred Fuchs (1938–2014), Unternehmensgründer von OHB

Heute hat sich seine Vision von leistungsfähigen, erdnahen und geostationären Satelliten in modularer Bauweise durchgesetzt. Und dass eine Satellitenplattform nur eine Nutzlast mitnehmen können soll, war für ihn kein Naturgesetz. Warum sollte man nicht eine Plattform konzipieren können, die mit unterschiedlichen Nutzlasten bestückt werden kann? Diese Idee ist ein Grund dafür, warum OHB heute zu den TOP-3-Unternehmen der europäischen Raumfahrt gehört und sich auf über drei Jahrzehnte Projekterfahrung bei ganz unterschiedlichen Satellitenprojekten stützen kann.

Wie viele Satelliten sind in der Erdumlaufbahn?

Im August 2017 befanden sich knapp 1.740 aktive Satelliten aus verschiedenen Ländern im All (Quelle: Union of Concerned Scientists, ucsusa.org). Außerdem findet sich noch viel Debris (der so genannte Weltraumschrott, genau wie Objekte natürlicher Herkunft) im Weltraum.

 

Video der ESA zu Space Debris:

http://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2013/04/Space_debris_2013

 

So wird der die Erde umkreisende Weltraumschrott beispielsweise auf 750.000 Objekte mit einer Größe zwischen 1 und 10 cm und 29.000 Objekte größer als 10 cm geschätzt (Quelle: ESA --> http://www.esa.int/Our_Activities/Operations/Space_Debris). Innerhalb des für Satellitenmissionen nutzbaren Teils des Weltalls werden die Objekte kontinuierlich von einem Netzwerk an boden- und raumgestützten Sensoren (Radar, Teleskop) erfasst und verfolgt. Diese Objekte können eine Bedrohung darstellen, und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem aktiven Satellit steigt mit jedem weiteren Objekt. Für die Expertinnen und Experten bei OHB ist es daher selbstverständlich, bei allen durchgeführten und zu planenden Missionen entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung weiteren Debris zu treffen. OHB entwickelt sogar aktive raumgestützte Gegenmaßnahmen zur Reduktion dieser Objekte im Weltraum. So soll das Weltall auch in Zukunft nutzbar bleiben und andererseits Schaden von der Erde abgehalten werden. Etwa durch geeignete Maßnahmen in Bezug auf die Bedrohung durch einen möglichen Asteroiden-Einschlag.

 

„Asteroids are celestial objects which fascinate everybody; young people and experienced researchers alike. Protecting Earth from a significant asteroid impact through dedicated satellites, along with the future commercial exploitation of asteroids via mining, constitute global endeavors for upcoming generations.

OHB takes pride in preparing for these opportunities with our own technical developments and investments.”

Marco Fuchs, Owner and Chief Executive Officer of OHB.

Wie ist ein Satellit aufgebaut?

Ein Satellit besteht aus mehreren Komponenten, die bestimmte Funktionen übernehmen. Diese Funktionen lassen sich in zwei Gruppen einteilen: in Nutzlast und Satellitenbus.

  • Die Nutzlast stellt die eigentliche Funktionen des Satelliten bereit, damit dieser seine Aufgabe im All erfüllen kann. So brauchen Navigationssatelliten hochpräzise Uhren und Geräte, um Funksignale für die Messung von Entfernungen zu senden. Erdbeobachtungssatelliten tragen Kamerasysteme für verschiedene Spektralbereiche von Ultraviolett über das sichtbare Licht bis zum thermischen Infrarot oder verwenden aktive abbildende Mikrowellenradarsysteme, die sogar durch Wolken blicken können.
  • Der Satellitenbus (auch Satellitenplattform oder Service-Modul genannt) ist die technische Struktur, die den Betrieb des Satelliten und seiner Nutzlast im All ermöglicht. Der Satellitenbus muss, genau wie die Nutzlast, zuerst den extremen Belastungen beim kurzen Raketenstart und dann den langjährigen Belastungen während der Betriebsphase im All, vor allem durch Strahlung, Vakuum und Temperaturschwankungen, standhalten. In die Primärstruktur werden weitere Subsysteme integriert, die beispielsweise den Antrieb des Satelliten im All, seine Lageregelung, die Energieversorgung, die Datenverarbeitung sowie die Temperaturkontrolle für alle an Bord befindlichen Module gewährleisten.
Typische Umlaufbahnen für Satelliten

Die Umlaufbahn eines Satelliten wird auch Satellitenorbit genannt. Ein Satellit stürzt nicht auf die Erde zurück, weil sich – vereinfacht gesagt – Erdanziehungskraft (Gravitation) und Fliehkraft (Zentrifugalkraft) ausgleichen. Je näher der Satellit an der Erde ist, desto stärker wirkt die Gravitation und umso schneller muss ein erdnaher Satellit sein, damit er genügend Zentrifugalkraft „erzeugt“ und seine Umlaufbahn halten kann.

Prinzipiell nutzt man bei Satelliten grundlegende physikalische Gegebenheiten für die Auswahl des Orbits. Während es gelegentlich auch ungewöhnliche Missionen mit technisch aufwändigen Orbits gibt, so verwendet man zumeist pragmatische Lösungen. Drei typische Satellitenumlaufbahnen werden besonders häufig gewählt:

Geostationärer Orbit (GEO)

Geostationäre Satelliten befinden sich in knapp 36.000 km Höhe über dem Äquator. Dort beträgt die Umlaufzeit um die Erdachse 24 Stunden, die Satelliten vollführen also einmal pro Tag eine Umrundung, die synchron mit der Eigenrotation der Erde ist. Hierdurch stehen sie folglich „stationär“ über einem Punkt auf der Erdoberfläche „GEO“. Vom Boden aus gesehen befinden sich diese Satelliten immer an der gleichen Stelle, was einfache Empfangsanlagen für Satellitenfernsehen oder Kommunikation ermöglicht. Aus Sicht des Satelliten befindet sich eine gleichbleibende Region der Erde im Blickfeld, was besonders für die kontinuierliche Erfassung von Wetterdaten von Vorteil ist.

Medium Earth Orbit (MEO)

Satelliten in mittlerer Umlaufbahn umfassen alle Orbits zwischen 6.000 und 36.000 km Höhe mit unterschiedlichen Bahnneigungen. Eine Erdumkreisung dauert je nach Höhe zwischen vier und 24 Stunden. Im Medium Earth Orbit befinden sich vornehmlich Navigationssatelliten wie Galileo, GPS oder GLONASS. Die Satelliten, von denen sich mehrere Satelliten einer Konstellation im Blickfeld eines Beobachters auf der Erde befinden, bewegen sich scheinbar relativ langsam und ermöglichen so eine dauerhafte Übermittlung von Positionsdaten.

Low Earth Orbit (LEO)

Satelliten in erdnaher Umlaufbahn umkreisen die Erde in einer Höhe von 200 bis 1.500 km. Sie brauchen für eine Umrundung zwischen 1,5 und zwei Stunden. Sie sind nur kurz im Blickfeld eines Beobachters am Boden und sehen eine Region am Boden nur kurz, erreichen aber durch ihre Nähe zur Erdoberfläche optimale Aufnahmebedingungen für Forschungs- und Erdbeobachtungsanwendungen.

Die wichtigsten Einsatzgebiete von Satelliten

Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Satelliten sind Kommunikation, Navigation und Erdbeobachtung.

Satelliten für die Navigation

Kein Tag vergeht, an dem wir uns nicht auf moderne Satellitennavigation verlassen. Fahrten mit Auto oder LKW laufen nur noch selten ohne „Navi“. Und der globale Schiffsverkehr ist ohne exakte Positionsbestimmung unvorstellbar. Auch im privaten Umfeld nutzen wir Satellitensignale. Etwa zur Bestimmung des Standorts oder zur Optimierung unseres Tagesablaufs mit dem Smartphone. Und wenn wir etwas für unsere Gesund tun, verwenden viele beim Sport Fitnessuhren.

Damit der eigene Standort exakt bestimmt werden kann, reichen die Signale von vier Satelliten aus. Das amerikanische GPS war hierbei das erste globale Satellitennavigationssystem, dem später das russische System GLONASS und das chinesische System Beidou („Großer Bär“) sowie weitere regionale Systeme gefolgt sind. Die Europäische Union trägt mit ihrem Satellitennavigationssystem Galileo hierzu bei und erweitert die Verfügbarkeit der Interoperabilität für den Anwendner. OHB ist Hauptauftragnehmer für die Entwicklung und Herstellung von 34 Galileo FOC* Satelliten, die in einer an die Automobilindustrie angelehnten Serienfertigung in Bremen realisiert werden.

*) The FOC (full operational capability) phase of the Galileo program is being funded by the European Union. The European Commission and the European Space Agency ESA have signed a contract under which ESA acts as the development and sourcing agency on behalf of the Commission. The views expressed here do not necessarily constitute the positions of the European Union and ESA. "Galileo" is a registered trademark owned by the EU and ESA under the HABM application number 002742237.

*) Die Phase bis zum Erreichen der vollen Einsatzkapazität (FOC – full operational capability) des Galileo-Programms wird von der Europäischen Union finanziert. Die Europäische Kommission und die Europäische Raumfahrtagentur ESA haben eine Übertragungsvereinbarung unterzeichnet, gemäß der die ESA im Auftrag der Kommission als die für die Entwicklung und die Beschaffung verantwortliche Stelle handelt. Die hier ausgedrückten Ansichten stellen nicht notwendigerweise die Position der Europäischen Union bzw. der ESA dar. Galileo ist ein eingetragenes Warenzeichen von EU und ESA gemäß HABM-Antrag Nr. 002742237.

OHB und das europäische Satellitennavigationssystem Galileo

Satellitennavigation wird zunehmend präziser werden und umfangreichere Dienste anbieten. Dafür steht das europäische Navigationssystem Galileo. Im Gegensatz zu GPS oder GLONASS ist Galileo ein zivil kontrolliertes Projekt und verbindet Technologievorsprung mit hohem Marktpotenzial und größtmöglichem Nutzen. So wird Galileo etwa für die moderne Verkehrsplanung und Logistik hochpräzise Signale in bislang nicht erreichter Qualität und Verlässlichkeit liefern.

„Mit der Hoheit über ein eigenes Navigationssystem gewinnt Europa durch Galileo an Souveränität. Wir sind stolz, hierzu mit unseren Navigationssatelliten einen maßgeblichen Beitrag zu leisten.“

Dr. Manuel Czech, Projektmanager Galileo bei OHB

Damit dringt die Satellitennavigation in neue Dimensionen vor und ermöglicht zum Beispiel noch genauere Fahrassistenzsysteme für mehr Sicherheit auf unseren Straßen und auch für autonomes Fahren. Neben der präziseren Navigation bietet Galileo außerdem Dienste, die Notrufsender orten („Search & Rescue Service“, SAR), Positionsdaten für das Flottenmanagement und die Disposition von Sendungen bereitstellen, zertifizierte Zeitstempel für sichere Finanzgeschäfte vergeben sowie schnelle Verbindungen zwischen elektronischen Geräten im Internet der Dinge (IoT) ermöglichen.

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Galileo-Broschüre: Das europäische Satellitennavigationssystem

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Satelliten für die Kommunikation

Satelliten für die Kommunikation begleiten uns ständig auf Schritt und Tritt: Signale für TV, Radio, Telefon und Internet werden in Echtzeit an praktisch jeden Ort der Erde übertragen. Kommunikation ist das Rückgrat unserer digitalen Gesellschaft und Satelliten leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Sie müssen flexibel sein, um den wachsenden und wechselnden Anforderungen kommerzieller und institutioneller Auftraggeber gerecht zu werden. Auch hier ist nicht zuletzt zukunftsweisende Pionierarbeit ein echter Erfolgsfaktor: Ein Beispiel dafür ist die von den Expertinnen und Experten bei OHB entwickelte, modulare Satellitenplattform SmallGEO, die individuell mit der gewünschten Nutzlast des Auftraggebers bestückt werden kann.

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SmallGEO: Europas hocheffiziente geostationäre Satellitenplattform

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„Unser SmallGEO-Erstling hat seine volle Funktionsfähigkeit im Orbit eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Damit wurde das technische Design der neuen Satellitenplattform bestätigt.“

Dr. Dieter Birreck, der für H36W-1 verantwortliche Projektleiter.

Kurz und kompakt: SmallGEO

SmallGEO ist eine vielfältige Produktlinie für geostationäre Satelliten der OHB System AG. Der modulare Aufbau der Satellitenplattform ermöglicht ein großes Spektrum an Konfigurationen. So kann ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand flexibel und gezielt auf viele Kundenanforderungen reagiert werden. Mit SmallGEO lassen sich Erdbeobachtungsmissionen und traditionelle Satellitenkommunikationsmissionen genau wie optische Laserkommunikationsmissionen realisieren. SmallGEO ist in der Klasse mit etwa 3 Tonnen Startmasse eine effiziente Plattform mit sehr hoher Nutzlastkapazität für den kommerziellen, institutionellen sowie behördlichen Markt.

SmallGEO-Broschüre (ENG): The multi-purpose geostationary satellite platform

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EDRS-C – European Data Relay Satellite

Der geostationäre Satellit EDRS-C wird eingesetzt werden, um die von Erdbeobachtungssatelliten generierten Daten sehr schnell verfügbar zu machen. Die tief fliegenden Sentinel Satelliten der Copernicus Konstellation der Europäischen Union müssen grundsätzlich im Empfangsbereich einer Bodenstation sein, um ihre Informationen bereit zu stellen. Dies kann durchaus mehrere Stunden dauern, zu lange für einige Anwendungen. Mit EDRS wurde ein System etabliert, in dem geostationäre Satelliten, die dauerhaft im Empfangsbereich einer Bodenstation sind, Bilddaten von den Sentinel-Satelliten mit einem Laser-Communication-Terminal empfangen können, und sie direkt weitergeben können. Hierdurch werden die Informationen extrem schnell verfügbar. SmallGEO ist für diese Art der optischen Nutzlasten qualifiziert worden und EDRS-C wird der erste dedizierte Satellit des Systems werden.

Electra

Ein wichtiger Treiber für Innovationen in der Raumfahrt ist die Effizienz für die Nutzlast. Je mehr davon getragen werden kann, desto leistungsfähiger ist der Satellit. Um die SmallGEO Produktlinie in diesem Bereich zu optimieren, nutzt OHB ein hocheffizientes vollelektrisches Antriebssystem. Dies spart gegenüber herkömmlichen chemischen Antrieben mehrere hundert Kilogramm Treibstoff, die dafür der Nutzlast bereitstehen. Diese Konfiguration wird erstmalig im Satellit Electra Verwendung finden. In enger Partnerschaft mit dem Satellitenbetreiber SES wird diese Variante in einem ESA Programm entwickelt und wird die Nutzlastfähigkeit von SmallGEO verdoppeln.

Satelliten für Erdbeobachtung und Forschung

Satelliten für die Erdbeobachtung sind die fliegenden Augen der Umweltwissenschaften und vervollständigen unser Bild der Erde und ihrer Atmosphäre. Sie tragen dazu bei, dass wir das „System Erde“ besser verstehen können. Sie sind unverzichtbar für zuverlässige Wettervorhersagen, Klimabeobachtungen und kontinuierliches Monitoring der Land- und Wassermassen. Außerdem werden sie für Aufklärungssysteme und im Bereich der Sicherheit eingesetzt – etwa im Katastrophenmanagement oder bei humanitären Hilfseinsätzen. OHB entwickelt und fertigt hochauflösende Satelliten für Erdbeobachtungssysteme im sichtbaren Bereich sowie im Infrarot- und Radar-Bereich sowie hyperspektrale Systeme, die das Licht in hunderte Farben auftrennen und so „spektrale Fingerabdrücke“ von Landoberflächen für hochpräzise Klassifikationen und Kartographie ermöglichen.

Erdbeobachtung: ausgewählte OHB-Satellitenprojekte

„Wir haben Pionierarbeit geleistet: mit leistungsfähigen erdnahen und geostationären Satelliten in modularer Bauweise für Navigation, Kommunikation, Erdbeobachtung und Aufklärung.“

Marco R. Fuchs, Vorstandsvorsitzender der OHB SE

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