Kostenreduzierung bei LEO-Satelliten mit COTS-Komponenten

Bis vor relativ kurzer Zeit wurden die meisten Satelliten für die geosynchrone äquatoriale Umlaufbahn (GEO) oder die geostationäre Umlaufbahn entworfen und gebaut. Diese Satelliten befinden sich etwa 36.000 km über dem Äquator und drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung wie die Erde. Durch diese feste Positionierung wird sichergestellt, dass die Satellitenübertragung konsistent bleibt und sich auf eine bestimmte Region der Erde konzentriert. GEO-Satelliten wiegen zwischen einer und fünf Tonnen, kosten zwischen 100 und 400 Millionen US-Dollar und benötigen drei bis fünf Jahre für Konstruktion und Bau. Sie werden in der Regel für einen speziellen Zweck gebaut, der maßgeschneiderte Lösungen erfordert, die den extremen Umgebungsbedingungen des Weltraums während der 25- bis 30-jährigen Lebensdauer des Satelliten standhalten. Pro Jahr werden nur ein bis drei GEO-Satelliten gestartet, da der Zeit- und Kostenaufwand sehr hoch ist.

Heute konzentriert sich der Großteil der Satellitenproduktion auf Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO), die sich in der Regel in einer Entfernung von 160 bis 1.900 km (100 bis 1.200 Meilen) von der Erde befinden. LEO-Satelliten sind nicht an einen Punkt gebunden und umkreisen die Erde kontinuierlich. Eine Konstellation von Hunderten von LEO-Satelliten könnte erforderlich sein, um den gesamten Globus abzudecken.

Die Palette der LEO-Satelliten reicht von kleinen (100 kg), die schnell aus 10 cm großen Würfeln mit handelsüblicher Computerhardware zusammengebaut werden, bis hin zu größeren Satelliten, die hauptsächlich aus Commercial-Off-The-Shelf (COTS)-Komponenten bestehen. Größere und gebräuchlichere LEO-Satelliten wiegen zwischen 100 und 1.000 kg (220–2.200 lbs). Sie kosten im Durchschnitt 500.000 US-Dollar und können vom Entwurf bis zum fertigen Satelliten in etwa 18 Monaten hergestellt werden. Dieser wesentlich agilere Fertigungsprozess und Zeitplan in Verbindung mit den im Vergleich zu GEO-Satelliten niedrigeren Startkosten hat zu einem Boom bei LEO-Satelliten mit fast täglichen Starts geführt.

LEO-Satelliten bieten eine hohe Bandbreite mit geringer Latenzzeit, was sie ideal für die Übertragung von Signalen zur und von der Erdoberfläche macht. Daher gibt es immer mehr Anwendungen für LEO-Satelliten. Gegenwärtig werden sie vor allem dazu verwendet, globale Verbindungslösungen zu ermöglichen und verschiedene Phänomene auf der Erde zu beobachten:

Globale Verbindungslösungen

• Bereitstellung von Breitband-Internetanschlüssen für Menschen in abgelegenen Gebieten ohne Zugang zu terrestrischer Telekommunikationsinfrastruktur. Ermöglichung des Internetzugangs in Flugzeugen für Bordunterhaltung und andere Dienste für Passagiere und Besatzung.
• Ermöglichung des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) durch die Vernetzung „intelligenter“ Geräte und Ausrüstungen für private, gewerbliche, industrielle und militärische Zwecke.

Beobachtung und Datenerfassung

• Überwachung der Umweltbedingungen, einschließlich aktueller Wetterwerte, Oberflächentemperaturen der Erde, Wellenhöhen, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeiten oder Pollenflug, und Verwendung dieser Daten zur Überwachung der Auswirkungen von Umweltkatastrophen.
• Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion durch den Zugang zu kostengünstigen Satellitendaten, die den Landwirten dabei helfen, die besten Pflanzen und den idealen Zeitpunkt für die Aussaat zu bestimmen und Live-Updates während des Wachstums der Pflanzen zu liefern.
• Optimierung des Land-, See- und Luftverkehrs durch die Verfolgung von Lastkraftwagen, Schiffen, Flugzeugen und anderen Fahrzeugen, um Ankunftszeiten abzuschätzen und effizientere Routen zu ermitteln.

LEO-Satelliten eignen sich auch gut für die sich rasch entwickelnde Weltraum-zu-Weltraum-Wirtschaft, eine Strategie, bei der Daten von einem Satelliten im Weltraum zu einem anderen Objekt im Weltraum übertragen werden, anstatt sie zu einem Objekt auf der Erde zu senden. Dies wird für die Unterstützung von Orbit-Transfers, Tankstellen, Datenzentren und mehr entscheidend sein.

Mit der wachsenden Liste von Kommunikations-, Bild- und LEO-Satellitenanwendungen wächst auch der Bedarf an einer breiteren Abdeckung durch ein größeres Netzwerk von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen. Konstrukteure und Hersteller müssen sich auf COTS-Lösungen verlassen, um mit der Nachfrage nach mehr und kostengünstigeren LEO-Satelliten Schritt halten zu können.

COTS-Komponenten sind vorgefertigte Produkte, die bei der Herstellung oder Montage eines Endprodukts verwendet werden können. COTS+ bezieht sich auf handelsübliche Artikel, die für eine bestimmte Anwendung oder für die raue Umgebung des Weltraums leicht modifiziert wurden. COTS+ Komponenten werden zusätzlichen Prüfungen und/oder physischen Verbesserungen unterzogen, um die LEO-Anforderungen zu erfüllen. Diese Elemente wurden für den Einsatz im Weltraum validiert.

Konstrukteure und Hersteller dürfen jedoch bei der Suche nach kostengünstigeren Lösungen keine Kompromisse in Bezug auf Leistung oder Haltbarkeit eingehen. LEO-Satelliten müssen jedoch robust genug sein, um extremen Temperaturschwankungen und starken Vibrationen zu widerstehen. Dies gilt insbesondere für den Start. Aus diesem Grund benötigen die meisten LEO-Satelliten, die COTS und COTS+ Komponenten enthalten, auch Komponenten, die nach den strengeren VITA- und SOSA-Standards für missionskritische Elemente gebaut wurden.

Anzahl der Satelliten

• Konstellationen aus Dutzenden oder Hunderten von LEO-Satelliten zur Erfassung großer Datenmengen und zur Bereitstellung zuverlässiger Dienste für Kunden in aller Welt. Mehrere führende Anbieter von satellitengestützten Internetdiensten produzieren und starten beispielsweise Dutzende von LEO-Satelliten pro Woche und planen, letztlich Zehntausende von Satelliten in der Umlaufbahn zu haben.

Kurze Lebensdauer

• Jeder LEO-Satellit hat nur eine Lebensdauer von drei bis fünf Jahren. Konstrukteure müssen sich keine Gedanken über kosmische Sonnenstrahlung, atomare Sauerstofferosion und andere Faktoren machen, die die Lebensdauer von Hardware in einer sehr feindlichen Weltraumumgebung einschränken können. Dadurch wird der Bedarf an robusterer, weltraumtauglicher Hardware weniger kritisch.

Kontinuierliche Verbesserungen

• LEO-Satelliten sind so konzipiert, dass sie sich mit schrittweisen Software-Updates und inkrementellen Änderungen der Technologie weiterentwickeln, um bestehende Funktionen zu verbessern oder neue Fähigkeiten hinzuzufügen. Neue Satelliten können mit der neuesten Technologie gebaut werden, die den heutigen Anforderungen entspricht und die technischen Fortschritte von morgen vorwegnimmt.

Integration mit GEO-Satelliten

• In Situationen, in denen sowohl eine geringe Latenz als auch eine hohe Rechenleistung erforderlich sind, wie z. B. bei Video-Streaming-Diensten, können LEO-Satelliten mit vorhandenen GEO-Satelliten zusammenarbeiten, um die beste Konnektivität zu bieten.

Markttrends der Industrie

• Die Zahl der Fusionen und Partnerschaften zwischen Satellitenunternehmen nimmt zu. Die Branche wächst und reift. Die Integration des Produkts eines Unternehmens in ein anderes ist einfacher, wenn beide Produkte gemeinsame, handelsübliche Komponenten verwenden.

Erschwinglichkeit und Kundenzufriedenheit

• Die Verwendung von COTS-Teilen beschleunigt die Montage neuer Satelliten und senkt die Produktionskosten. Dadurch können Internet- oder Telefonanbieter, die auf LEO-Satelliten angewiesen sind, ihre Dienste mehr Menschen zu niedrigeren Preisen zur Verfügung stellen.

TE Connectivity (TE) bietet ein breites, weltraumtaugliches Portfolio an Drähten, Kabeln, Relais, Schaltern, Sensoren und Steckverbindern, die ideal für die harten Anforderungen von LEO-Satellitenanwendungen geeignet sind, einschließlich der folgenden Standardlösungen:

• Die STRADA Whisper-Hochgeschwindigkeits-Backplane Steckverbinder wurden für Hochleistungssysteme mit hoher Bandbreite entwickelt. Ihr revolutionäres Design überträgt Daten mit bis zu 112 Gbit/s. Auf diese Weise können Sie zukünftige System-Upgrades effizient umsetzen, ohne die Back- oder Midplane kostenintensiv umgestalten zu müssen.
• Die Micro-D und D-Subminiatur Backshells erfüllen die Anforderungen von Raumfahrtanwendungen an Funktion, Material und Leistung – dort, wo es auf Qualität und Erschwinglichkeit ankommt.
• Glasfaserbaugruppen reduzieren Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) und erfüllen die Anforderungen an hohe Packungsdichte und elektromagnetische Interferenz (EMI), um die Architektur von Hochgeschwindigkeitskommunikations-, Daten- und Nutzlastsystemen vollständig zu unterstützen.
• Aktive Glasfaser-Kabelsätze bieten sowohl im Vergleich zu herkömmlichen passiven Kupferlösungen als auch zu neuen aktiven Kupferlösungen (ACC/AEC) eine höhere Kabelflexibilität und eine größere Reichweite. Sie unterstützen Anwendungen des Hochleistungsrechnens, des Rechenzentrums und der Netzanbindung.
• 369 Steckverbinder mit kleinem Formfaktor bieten eine Reihe hochzuverlässiger, leichter, kompakter und kostengünstiger Steckverbinder für Anwendungen in rauen Umgebungen.

Über die Produkte hinaus verfügen die Ingenieure von TE über die Erfahrung und das Know-how, um Sie bei der Auswahl der idealen COTS Komponenten oder COTS+ Lösungen für Ihr nächstes LEO-Satellitendesign zu unterstützen.

• Die Entwicklung von einzelnen, spezialisierten GEO-Satelliten hin zu massenproduzierten Konstellationen von LEO-Satelliten führt zu einem erhöhten Bedarf an handelsüblichen (COTS) und COTS+ Komponenten, die dazu beitragen, die Produktionskosten zu senken und die Zeitpläne zu verkürzen.
• LEO-Satelliten, die sich in einer Entfernung von 160 bis 1900 km von der Erde befinden, bieten eine hohe Bandbreite mit geringer Latenz, um eine globale Konnektivität zu ermöglichen und verschiedene Phänomene auf der Erde zu beobachten.
• Satellitenentwickler und -hersteller verlassen sich zunehmend auf COTS-Teile, um die Nachfrage nach kostengünstigeren LEO-Satelliten zu befriedigen.
• TE Connectivity (TE) bietet ein breites Portfolio an leicht verfügbaren, zuverlässigen Standardlösungen, die ideal für die Anforderungen von LEO-Satellitenanwendungen geeignet sind.