Satellitenkommunikation - Cheatsheet

Geschichte und Entwicklung der Satellitenkommunikation

Definition:

Entwicklung der Technologie zur Übertragung von Signalen zwischen Bodenstationen und Satelliten im Weltraum; Evolution von passiven zu aktiven Satelliten.

Details:

• Erster künstlicher Satellit: Sputnik 1 (1957)
• Erster Kommunikationssatellit: Telstar 1 (1962)
• Geostationäre Satelliten eingeführt durch Syncom 3 (1964)
• Einführung von Satelliten für TV-Übertragung durch Early Bird (1965)
• Entwicklung von Wettersatelliten ab 1960er Jahren
• Meilensteine: INSAT (Indien), Intelsat, und Galileo (Europa)
• Moderne Entwicklungen: Klein- und Nanosatelliten, Low Earth Orbit (LEO) Netzwerke (z. B. Starlink)
• Übertragungsverfahren: Analoge Übertragung zu digitaler Kommunikation
• Frequenzbereiche: UHF, SHF und optische Kommunikation
• Wichtige Konzepte: Footprint, Link Budget, Latzenzzeit

Kepplersche Gesetze der Planetenbewegung

Definition:

Die Kepplerschen Gesetze beschreiben die Bewegung der Planeten um die Sonne.

Details:

• 1. Gesetz (Ellipsengesetz): Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.
• 2. Gesetz (Flächengesetz): Ein von der Sonne zum Planeten gezogener Radiusvektor überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
• 3. Gesetz (Harmoniegesetz): Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben der großen Halbachsen ihrer Bahnen. \(\frac{T_1^2}{T_2^2} = \frac{a_1^3}{a_2^3}\)

Grundlagen der Antennentechnik

Definition:

Grundkonzepte der Antennentechnik und ihre Anwendungsbereiche in der Satellitenkommunikation verstehen.

Details:

• Antennenbauformen: Dipol, Parabolspiegel, Helix
• Wichtige Parameter: Gewinn, Strahlungsdiagramm, Bandbreite
• Fresnel-Zone: Notwendig für freie Sicht und optimale Signalübertragung
• Frequenzbänder: L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka-Band
• Polarisation: Linear, zirkular
• Freie Raum-Dämpfung (Freiraumverlust) berechnen: \\\[ L = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 20 \log_{10}(4\pi / c) \] \\(d\): Entfernung in km, \(f\): Frequenz in Hz, \(c\): Lichtgeschwindigkeit
• Antennengewinn berechnen:\[ G = 10 \log_{10}(\eta (4\pi A / \lambda^2)) \]\(\eta\): Effizienz, \(A\): Fläche, \(\lambda\): Wellenlänge

Atmosphärische Einflüsse und Dämpfung

Definition:

Atmosphärische Einflüsse und Dämpfung: Beeinträchtigung von Satellitensignalen durch die Erdatmosphäre, führt zu Signalabschwächung.

Details:

• Ausschlaggebende Faktoren: Regen, Wolken, Sauerstoff, Wasserdampf.
• Frequenzabhängigkeit: Höhere Frequenzen stärker betroffen.
• Regen: Hauptursache für Signalabschwächung in höheren Frequenzen (Ku- und Ka-Band).
• Dämpfungsberechnung durch ITU-R-P838 Modell.
• Freiraumdämpfung: \[ L = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 20 \log_{10}(4 \pi c^{-1}) \]
• Wolken: Beeinflussen hauptsächlich im Ka-Band und darüber.
• Optimal: Minimierung durch Auswahl geeigneter Übertragungsfrequenzen und redundante Systeme.

Digitale Modulationsmethoden

Definition:

Digitale Modulation ist der Prozess, bei dem digitale Daten durch Verändern eines Trägersignals übertragen werden.

Details:

• Bekannte Methoden: ASK, FSK, PSK, QAM
• ASK: Amplitudenumtastung – Änderung der Amplitude
• FSK: Frequenzumtastung – Änderung der Frequenz
• PSK: Phasenumtastung – Änderung der Phase
• QAM: Quadraturamplitudenmodulation – Kombination aus ASK und PSK
• Effizienz und Robustheit je nach Methode unterschiedlich
• Wichtig für Bandbreitennutzung und Fehlerkorrektur

Bahnmanöver und Satellitentransfers

Definition:

Techniken und Methoden zur Veränderung der Satellitenposition und Umlaufbahnen.

Details:

• Hohmann-Transfer: Effizienter elliptischer Orbitwechsel.
• Bi-elliptischer Transfer: Weitere Einsparung von Treibstoff über dreifachen Brennpunkt.
• Synchrone Manöver: Anpassung der Umlaufgeschwindigkeit durch Schub in Flugrichtung.
• Plane-Change Manöver: Änderung der Bahnebene durch Querschub.
• Korrekturmanöver: Kleine Anpassungen zur Bahnstabilisierung.

Antennenarrays und ihre Anwendungen

Definition:

Mehrere Antennen, die gemeinsam genutzt werden, um spezifische Strahlungsmuster zu erzeugen.

Details:

• Verbesserte Richtwirkung und Signalqualität
• Reduktion von Interferenzen
• Beamforming: gezielte Signalausrichtung durch Phasenverschiebung
• Vielfältige Anwendungen in Satellitenkommunikation: Sende- und Empfangsantennen, Beamforming zur Abdeckung spezifischer geografischer Regionen
• Wichtige Parameter: Antennenelemente, Abstand zwischen Elementen (\textit{d}), Wellenlänge (\textit{λ}), Phasenverschiebung (\textit{Φ})
• n-Element Array Formel: Gesamtfeld ergibt sich durch die Summe der Felder einzelner Elemente unter Berücksichtigung von Phasenverschiebungen

Multipath-Effekte und Fading

Definition:

Multipath-Effekte und Fading treten auf, wenn Funksignale auf ihrem Weg durch Reflexion, Beugung und Streuung mehrere Pfade nehmen.

Details:

• Multipath-Effekte: Mehrere Signalpfade durch Reflexionen und Streuungen.
• Fading: Schwankungen der Signalstärke durch Interferenz verschiedener Pfade.
• Fading-Arten:
  • Flat Fading: Gleichmäßige Abschwächung aller Frequenzen.
  • Frequency-Selective Fading: Unterschiedliche Abschwächung verschiedener Frequenzen.
  • Fast Fading: schnelle Veränderungen der Signalstärke.
  • Slow Fading: langsame Veränderungen der Signalstärke.
• Rayleigh-Fading: Modell für schnelles, amplitudenbasiertes Fading bei nicht sichtbarer Sichtlinie (NLOS).
• Rician-Fading: Modell für Fading mit direktem Signalpfad (LOS).
• Dämpfungsmodell für Signalstärke: \[ P_r = P_t G_t G_r \left( \frac{\lambda}{4\pi d} \right)^2 \]
• Fading-Minderung: Techniken wie Diversität, stilisierte Antennen und adaptive Modulation.