Nicht nur im zivilen Bereich werden neue technische Lösungen zur Übertragung der ständig wachsenden Datenströme benötigt. Auch für militärische Anwendungen entwickelt sich die Datenbereitstellung und der Datentransport zu einem Schlüsselfaktor. Denkt man an die Konzeption einer All-Domain Combat Cloud, mit der Heer, Luftwaffe, Marine, Weltraum- und Cyberkräfte in Zukunft miteinander verbunden werden sollen, wird die Herausforderung deutlich. Denn die Vernetzung Tausender existierender Plattformen, die Einbindung und Steuerung von unbemannten Fahrzeugen zu Lande, Wasser und in der Luft sowie die Integration von neuen Sensoren erfordert ein stabiles und störungssicheres Kommunikationsnetzwerk.
Vor diesem Hintergrund könnte in Zukunft die Datenübermittlung mittels Lasertechnologie massiv an Bedeutung gewinnen. Denn die Vorteile liegen auf der Hand: Größere Datenmengen als mit der traditionellen Funktechnik können über diese optische Methode hoch-abhörsicher und mit geringerem Energieaufwand über lange Strecken transportiert werden. Dabei ist diese Übertragungsform schwer aufzuklären und nicht durch das bereits stark frequentierte elektromagnetische Spektrum limitiert. Bei der auch als laserbasierter Freistrahlkommunikation bezeichneten Technologie wird Licht als Trägerwelle eingesetzt, auf die die zu transportierenden Informationen aufmoduliert werden.
Den Vorteilen stehen allerdings auch einige Nachteile entgegen, die die Einsatzmöglichkeiten stark einschränken. Dies liegt in erster Linie daran, dass zur Übertragung eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger benötigt wird. Treten auf dem Weg des Laserstrahls Partikel in der Luft auf – etwa in Form von Wolken – können diese die Verbindung unterbrechen. Dazu kommt das Problem der Verbindungsstabilität, wenn sich Sender und Empfänger auf nicht festgelegten Routen im Raum bewegen. Etwa wenn es sich um zwei Kampfflugzeuge handelt.
Nach Vorstellungen von Airbus bietet der SpaceDataHighway in Zukunft die Möglichkeit, Daten von Erdbeobachtungssatelliten, Drohnen oder Flugzeugen über Laserkommunikation und geostationäre Satelliten auf Bodenstationen in Europa zu übertragen. Foto: Airbus
Dennoch wird das Potenzial von Laserkommunikation gerade für militärische Anwendungen relevant, da zunehmend in Cloud-Lösungen gedacht wird. Etwa beim Future Combat Air System (FCAS), bei dem Flugzeuge wie der New Generation Fighter mit seinen unbemannten Begleitflugzeugen über eine Cloud mit luftgestützten Plattformen und mit dem Boden verbunden werden sollen.
DLR mit Schlüsselposition
Geforscht wird an der Technik hierzulande schon seit geraumer Zeit. Seit den 90er Jahren hat Deutschland Millionensummen dafür aufgewendet und sich mittlerweile als ein globaler Spitzenreiter etabliert. Die Expertise liegt dabei im Schwerpunkt beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Privatwirtschaft. Bei letzterer sind es zuvorderst Airbus Defense and Space mit seiner Tochter Tesat sowie die Firma Mynaric, eine Ausgründung des DLR. Nach eigenen Angaben ist Tesat das einzige Unternehmen mit Produkten auf dem höchsten Technology Readiness Level 9 in Europa.
In der Praxis der Laser-Freistrahlkommunikation hat es in der vergangenen Dekade wichtige Fortschritte gegeben. So fand bereits 2013 ein erfolgreicher Test einer Laserübertragung zwischen einem Kampfflugzeug Tornado und einer Bodenstation unter Beteiligung des DLR statt. Weitere Versuche sind seitdem gefolgt.
Die Laserübertragung im Weltraum befindet sich mittlerweile sogar im kommerziellen Einsatz. Dort werden im Rahmen des European Data Relay System (EDRS) der ESA Erdbeobachtungsdaten von einem tieffliegenden Satelliten im so genannten Low Earth Orbit oder LEO zu einem geostationären Satelliten gesendet, der die Daten dann per Funk zur Erde übermittelt. Beteiligt sind an dem Vorhaben das DLR und Airbus. DLR und Tesat haben dafür das Laserkommunikationsterminal entwickelt. Da die Flugbahnen der Satelliten fix und berechenbar sind, gilt die Laserverbindung in Fachkreisen als „quasi stationär“.
Laut DLR ist die Technik in anderen Anwendungsfeldern noch in der Entwicklung. Bei der Übertragung von Satelliten zur Erde hat beispielsweise das DLR im Januar 2021 das im OSIRIS-Programm entwickelte Laserterminal an Bord der PIXL-1 Mission ins Weltall gestartet. Damit solle die optische Datenübertragung von Satelliten zur Erde getestet und der Aufbau eines weltweiten Bodenstationsnetzwerks vorangetrieben werden.
Typische Laserkommunikationssysteme für den Einsatz auf Satelliten erreichen nach Angaben des DLR bereits heute Datenraten im Bereich von 100 Megabit pro Sekunde bei der PIXL-1-Mission bis hin zu 10 Gigabit pro Sekunde des vom DLR entwickelten OSIRISv3-Terminals. Systeme der nächsten Generation dürften je nach Anwendungsfall bereits 40 Gigabit pro Sekunde bzw. 100 Gigabit pro Sekunde erreichen. Beobachter gehen davon aus, dass bald womöglich Datenübertragungsraten von einem Terabit pro Sekunde möglich sein werden. Zum Vergleich: Die Datenraten beim gegenwärtig in erster Linie bei der Luftwaffe genutzten Funk-Datenlink 16 liegt bei unter 500 Kilobit pro Sekunde.
General Atomics bereitet Tests vor
Auch das für seine unbemannten Luftfahrzeuge bekannte US-Unternehmen General Atomics sieht Potenzial in der Laserkommunikation und beschäftigt sich seit geraumer Zeit mit der Technologie. Nach Angaben aus Fachkreisen, hat GA bereits eine Familie von Laserkommunikationsterminals entwickelt. Diese seien so ausgelegt, dass sie eine so genannte Free Space Optical Communication gewährleisten, mit robuster, hoher Bandbreite für die Anwendungen Luft-Boden, Luft-Luft, Luft-Weltraum sowie Weltraum-Weltraum.
Den mit der Laserkommunikation von GA vertrauten Kreisen zufolge verfügt das Unternehmen über einen kardanisch aufgehängten 12-Zoll-Laser-Airborne-Communication-Turm (LAC-12) mit Datenraten von rund einem Gbit pro Sekunde von einer luftgestützten Plattform bis zu einem Bodenempfänger. Wie es heißt, will GA weitere Tests mit dem Produkt vornehmen, zu denen eine Luft-Luft-Verbindungsdemonstration sowie ein Luft-Weltraum-Verbindungstest gehören. Zur Demonstration der optischen Weltraum-Luft-Kommunikation sollen offenbar die unbemannten Flugzeuge des Typs MQ-9 von GA und optische Kommunikationsterminals eingesetzt, die für die Satellitenkonstellationen der National Defense Space Architecture (NDSA) Tranche 1 der Space Development Agency entwickelt wurden.
Das LAC-Terminal implementiert automatische Algorithmen zur Ausrichtung, Erfassung und Verfolgung für eine Vielzahl von Endnutzern, darunter terrestrische, maritime und luftgestützte Plattformen, die LEO-Satelliten nutzen. Wie es heißt, wurde das 12-Zoll-System so konzipiert, dass es mit einem größeren Laser skalierbar ist, um größere Reichweiten zu ermöglichen und gleichzeitig jedes Modem zu nutzen. Dem Vernehmen nach soll noch im zweiten Quartal dieses Jahres der Test der Luft-Luft-Verbindung von bemannten Luftfahrzeugplattformen erfolgen. Im dritten Quartal schließt sich dann ein Schiff-zu-Schiff-Verbindungstest an. Im ersten Quartal kommenden Jahres ist dann eine Luft-zu-Weltraum-Verbindungsdemonstration zwischen einer MQ-9 und einem Tranche-0-Satelliten der Space Development Agency vorgesehen.
An ähnlichen Vorhaben arbeitet auch Airbus seit knapp drei Jahren zusammen mit der niederländischen Forschungsorganisation TNO. Die beiden Partner planen von einer hochfliegenden Plattform – einer Dassault Falcon 20 – einen Link zu einem geostationären Satelliten aufzubauen. 2022 sollen dafür Tests am Boden und des Demonstrators erfolgen, wie Airbus-Manager Mathias Schneidereit, verantwortlich für die Marktentwicklung Laserkommunikation, erläutert. 2023 werde dann die Flugdemonstration erfolgen. Technisch wird dazu ein Fenster im Flugzeug ausgetauscht, durch das dann der optische Terminal einen Laserstrahl auf den Alphasat-Satelliten lenken soll.
Nach Aussage von Schneidereit wird die für die Laserübertragung benötigte Technologie Made-in-Germany auch in den USA verwendet. So hat seinen Worten zufolge die Airbus-Tochterfirma Tesat entsprechende Aufträge aus den USA für die Tranche-0-Satelliten der SDA erhalten. Für den Manager ein „gutes Zeichen“ für die Konkurrenzfähigkeit der deutschen Branche. „Wir müssen diesen Wettbewerbsvorteil aufrecht erhalten“, sagt er mit Blick auf die vielfach geforderte Souveränität Europas in Bezug auf sichere Kommunikation.
A400M als möglicher Datenknoten
Die Übertragung vom Flugzeug oberhalb der Wolkendecke zum Satelliten könnte auch für eine Air Combat Cloud von großer Bedeutung werden, wenn etwa Transportflugzeuge wie die A400M oder ein Airbus MRTT als strategischer Datenknoten genutzt werden. Auch die unter Führung von Airbus zu bauende Eurodrohne könnte dadurch ihre ISTAR-Befähigungen stärken.
Damit die sichere Übertragung via Laserlink vom Satelliten zum Boden gewährleistet werden kann, sind mehrere optische Bodenstationen erforderlich, um ausreichend redundant liefern zu können, sollte eine Verbindung aufgrund der Wetterbedingungen unterbrochen werden. „Wir denken, dass mindestens zehn bis zwölf global verteilte optische Bodenstationen nötig sind, um eine entsprechend hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten“, sagt Schneidereit. Sei dies gewährleistet, könnten große Datenpakete binnen weniger Minuten weltweit verschickt werden. Experten gehen davon aus, dass Laserkommunikation auf der taktischen Ebene eine wichtige Ergänzung von Funkkommunikation, wie sie etwa über Link 16 erfolgt, darstellen kann.
Damit die Lasertechnologie großflächig eingesetzt werden kann, gibt es allerdings noch ein paar Herausforderungen hinsichtlich der Terminals zu lösen. Etwa in punkto Miniaturisierung. „Die Dinge müssen kleiner und robuster werden“, sagt Schneidereit. Außerdem sei eine Industrialisierung der Produktion erforderlich. Und nicht zuletzt müsse die Sicherheit eines optischen Links gewährleistet sein. „Bei einer Fehlfunktion darf ein Pilot nicht geblendet werden.“
Ein Zukunftsfeld für die Laserkommunikation stellt nach Angaben des DLR die Quantenschlüsselverteilung (QKD) dar, die ein Abhören unmöglich mache. Dazu werde gegenwärtig in Europa geforscht. Bei der satellitenbasierten Quantenschlüsselverteilung könnten demnach kryptographische Schlüssel auf der ganzen Welt verteilt werden, um dann beispielsweise eine sichere Kommunikation über das bestehende Internet zu erreichen. Es werde damit gerechnet, dass ab 2024 die ersten satellitenbasierten QKD-Systeme in Europa demonstriert würden, beispielsweise in der EAGLE-1-Mission der ESA, so das DLR. Auch an dieser Mission sei das DLR maßgeblich beteiligt.
lah/oh/9.5.2022
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