Kommunikationssatellit

Ein Kommunikationssatellit ist ein künstlicher Satellit , der Funksignale mittels eines Transponders weiterleitet und verstärkt . Er stellt einen Kommunikationskanal zwischen einem Sender und einem Empfänger an verschiedenen Orten auf der Erde her . Kommunikationssatelliten werden für Fernsehen , Telefonie , Radio , Internet und militärische Anwendungen genutzt. ^{[ 1 ]} Einige Kommunikationssatelliten befinden sich in einer geostationären Umlaufbahn 35.785 km (22.236 Meilen) über dem Äquator , sodass sie am Himmel scheinbar stillstehen. Daher können die Satellitenantennen der Bodenstationen permanent auf diesen Punkt ausgerichtet werden und müssen dem Satelliten nicht folgen. Die meisten Satelliten bilden jedoch Konstellationen in einer niedrigen Erdumlaufbahn , wo die Bodenantennen die Satelliten verfolgen und häufig zwischen ihnen umschalten müssen.

Die für Telekommunikationsverbindungen genutzten Funkwellen breiten sich geradlinig aus und werden daher durch die Erdkrümmung beeinträchtigt. Kommunikationssatelliten dienen dazu, das Signal um die Erdkrümmung herumzuleiten und so die Kommunikation zwischen weit voneinander entfernten geografischen Punkten zu ermöglichen. [ ^{2 ] Kommunikationssatelliten} arbeiten in einem breiten Spektrum von Funk- und Mikrowellenfrequenzen . Um Signalstörungen zu vermeiden, legen internationale Organisationen fest, welche Frequenzbereiche oder „Bänder“ bestimmte Organisationen nutzen dürfen. Diese Zuweisung von Frequenzbändern minimiert das Risiko von Signalstörungen. ^{[ 3 ]}

Im Oktober 1945 veröffentlichte Arthur C. Clarke in der britischen Zeitschrift Wireless World einen Artikel mit dem Titel „Extraterrestrische Relais“ . ^{[ 4 ]} Der Artikel beschrieb die Grundlagen für den Einsatz künstlicher Satelliten in geostationären Umlaufbahnen zur Weiterleitung von Funksignalen. Daher wird Arthur C. Clarke oft als Erfinder des Konzepts des Kommunikationssatelliten bezeichnet, und der Begriff „Clarke-Gürtel“ wird zur Beschreibung der Umlaufbahn verwendet. ^{[ 5 ]}

Der erste künstliche Erdsatellit war Sputnik 1 , der am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion in die Umlaufbahn gebracht wurde. Er wurde von Michail Tichonrawow und Sergei Koroljow auf der Grundlage von Arbeiten Konstantin Ziolkowskis entwickelt . ^{[ 6 ]} Sputnik 1 war mit einem Bordfunksender ausgestattet , der auf zwei Frequenzen von 20,005 und 40,002 MHz bzw. Wellenlängen von 7 und 15 Metern sendete. Der Satellit war nicht dazu bestimmt, Daten von einem Punkt auf der Erde zum anderen zu übertragen, sondern der Funksender sollte die Eigenschaften der Radiowellenverteilung in der Ionosphäre untersuchen. Der Start von Sputnik 1 war ein Meilenstein in der Erforschung des Weltraums und der Raketenentwicklung und markiert den Beginn des Weltraumzeitalters . ^{[ 7 ]}

Es gibt zwei Hauptklassen von Kommunikationssatelliten: passive und aktive . Passive Satelliten reflektieren das vom Sender kommende Signal lediglich in Richtung des Empfängers. Bei passiven Satelliten wird das reflektierte Signal nicht verstärkt, und nur ein geringer Teil der gesendeten Energie erreicht den Empfänger. Da sich der Satellit in großer Höhe über der Erde befindet, wird das Funksignal durch die Freiraumdämpfung abgeschwächt , sodass das auf der Erde empfangene Signal sehr schwach ist. Aktive Satelliten hingegen verstärken das empfangene Signal, bevor sie es an den Empfänger auf der Erde weiterleiten. ^{[ 3 ]} Passive Satelliten waren die ersten Kommunikationssatelliten, werden heute aber kaum noch eingesetzt.

Die 1951 im United States Naval Research Laboratory begonnenen Arbeiten zur elektrischen Aufklärung führten zum Projekt „ Communication Moon Relay“ . Militärplaner hatten schon lange großes Interesse an sicheren und zuverlässigen Kommunikationsverbindungen als taktische Notwendigkeit gezeigt. Das Ziel dieses Projekts war die Schaffung der längsten Kommunikationsverbindung in der Geschichte der Menschheit, wobei der Mond, der natürliche Satellit der Erde, als passives Relais fungieren sollte. Nachdem am 23. Januar 1956 die erste transozeanische Verbindung zwischen Washington, D.C. , und Hawaii hergestellt worden war, wurde das System im Januar 1960 öffentlich eingeweiht und in den regulären Betrieb genommen. ^{[ 8 ]}

Der erste speziell für die aktive Kommunikationsübertragung entwickelte Satellit war das Projekt SCORE unter der Leitung der Advanced Research Projects Agency (ARPA). Er wurde am 18. Dezember 1958 gestartet und nutzte einen Tonbandrekorder, um eine gespeicherte Sprachnachricht zu übertragen sowie Nachrichten zu empfangen, zu speichern und weiterzuleiten. Mit ihm wurden Weihnachtsgrüße von US-Präsident Dwight D. Eisenhower an die Welt gesendet . Der Satellit führte außerdem mehrere Echtzeitübertragungen durch, bevor die nicht wiederaufladbaren Batterien am 30. Dezember 1958 nach acht Stunden Betrieb ausfielen. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Der direkte Nachfolger von SCORE war ein weiteres von der ARPA geleitetes Projekt namens Courier. Courier 1B wurde am 4. Oktober 1960 gestartet, um zu untersuchen, ob es möglich wäre, ein globales militärisches Kommunikationsnetzwerk mithilfe von Satelliten mit verzögerter Signalübertragung aufzubauen. Diese Satelliten empfangen und speichern Informationen, bis sie zur Weiterverbreitung aufgefordert werden. Nach 17 Tagen unterbrach ein Ausfall des Steuerungssystems die Kommunikation mit dem Satelliten. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Das Satellitenanwendungsprogramm der NASA brachte am 12. August 1960 mit Echo 1 den ersten künstlichen Satelliten für passive Relaiskommunikation ins All. Echo 1 war ein mit Aluminium beschichteter Ballonsatellit, der als passiver Reflektor für Mikrowellensignale diente . Die Kommunikationssignale wurden von einem Punkt auf der Erde zum anderen über den Satelliten reflektiert. Ziel dieses Experiments war es, die Machbarkeit weltweiter Übertragungen von Telefon-, Radio- und Fernsehsignalen nachzuweisen. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Telstar war der erste aktive, kommerzielle Satellit für die direkte Relaiskommunikation und ermöglichte die erste transatlantische Übertragung von Fernsehsignalen. Er gehörte AT&T und war Teil eines multinationalen Abkommens zwischen AT&T, den Bell Telephone Laboratories , der NASA, der britischen General Post Office und der französischen National Post (PTT) zur Entwicklung von Satellitenkommunikation. Am 10. Juli 1962 startete die NASA von Cape Canaveral aus – der erste privat finanzierte Weltraumflug. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Ein weiteres passives Relais-Experiment, das primär für militärische Kommunikationszwecke gedacht war, war das Projekt West Ford unter der Leitung des Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology . ^{[ 16 ]} Nach einem anfänglichen Fehlschlag im Jahr 1961 wurden am 9. Mai 1963 350 Millionen Kupfernadeldipole gestreut, um einen passiven Reflektorgürtel zu erzeugen. Obwohl nur etwa die Hälfte der Dipole den korrekten Abstand zueinander aufwies, ^{[ 17 ]} konnte das Projekt erfolgreich Experimente durchführen und mit Frequenzen im SHF -X-Band -Spektrum kommunizieren. ^{[ 18 ]}

Ein unmittelbarer Vorläufer der geostationären Satelliten war Syncom 2 der Hughes Aircraft Company , der am 26. Juli 1963 gestartet wurde. Syncom 2 war der erste Kommunikationssatellit in einer geosynchronen Umlaufbahn . Er umkreiste die Erde einmal täglich mit konstanter Geschwindigkeit, wies aber aufgrund seiner Nord-Süd-Bewegung spezielle Ausrüstung zu seiner Verfolgung auf. ^{[ 19 ]} Sein Nachfolger, Syncom 3 , der am 19. Juli 1964 gestartet wurde, war der erste geostationäre Kommunikationssatellit. Syncom 3 erreichte eine geosynchrone Umlaufbahn ohne Nord-Süd-Bewegung, wodurch er vom Boden aus als stationäres Objekt am Himmel erschien. ^{[ 20 ]}

Eine direkte Weiterentwicklung der passiven Experimente des Projekts West Ford war das Lincoln Experimental Satellite -Programm, das ebenfalls vom Lincoln Laboratory im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums durchgeführt wurde . ^{[ 16 ]} Der aktive Kommunikationssatellit LES-1 wurde am 11. Februar 1965 gestartet, um die Machbarkeit aktiver militärischer Langstreckenkommunikation im X-Band mittels Festkörpertechnologie zu untersuchen. Insgesamt wurden zwischen 1965 und 1976 im Rahmen dieser Serie neun Satelliten gestartet. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

In den Vereinigten Staaten wurde 1962 die Communications Satellite Corporation (COMSAT) gegründet , ein privates Unternehmen, das in Fragen der nationalen Politik der US-Regierung unterstand. ^{[ 23 ]} In den folgenden zwei Jahren führten internationale Verhandlungen zu den Intelsat-Abkommen, die wiederum den Start von Intelsat 1, auch bekannt als Early Bird, am 6. April 1965 ermöglichten. Intelsat 1 war der erste kommerzielle Kommunikationssatellit in einer geostationären Umlaufbahn. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Weitere Intelsat-Starts in den 1960er-Jahren boten Dienste für mehrere Ziele sowie Video-, Audio- und Datendienste für Schiffe auf See (Intelsat 2 in den Jahren 1966–67). Mit Intelsat 3 wurde 1969–70 ein vollständig globales Netzwerk aufgebaut. In den 1980er Jahren, mit erheblichen Erweiterungen der kommerziellen Satellitenkapazität, war Intelsat auf dem Weg, Teil der wettbewerbsorientierten privaten Telekommunikationsbranche zu werden, und sah sich bereits Konkurrenz von Unternehmen wie PanAmSat in den Vereinigten Staaten ausgesetzt, das ironischerweise im Jahr 2005 von seinem Erzrivalen aufgekauft wurde. ^{[ 23 ]}

Zum Zeitpunkt des Starts von Intelsat waren die Vereinigten Staaten der einzige Startstandort außerhalb der Sowjetunion , die nicht an den Intelsat-Vereinbarungen beteiligt war. ^{[ 23 ]} Die Sowjetunion startete ihren ersten Kommunikationssatelliten am 23. April 1965 im Rahmen des Molnija- Programms. ^{[ 26 ]} Dieses Programm war damals auch deshalb einzigartig, weil es die sogenannte Molnija-Umlaufbahn nutzte . Diese beschreibt eine stark elliptische Umlaufbahn mit zwei täglichen Apogäumen über der Nordhalbkugel. Dadurch verweilen Satelliten lange über russischem Territorium sowie über Kanada in höheren Breitengraden als geostationäre Umlaufbahnen über dem Äquator. ^{[ 27 ]}

In den 2020er Jahren führte die Popularität von Satelliten-Internetkonstellationen in niedriger Erdumlaufbahn , die vergleichsweise kostengünstige Internetdienste anboten, zu einer sinkenden Nachfrage nach neuen geostationären Kommunikationssatelliten. ^{[ 28 ]}

Kommunikationssatelliten befinden sich üblicherweise in einem von drei primären Umlaufbahntypen , wobei weitere Umlaufbahnklassifizierungen zur genaueren Spezifizierung der Umlaufbahndetails verwendet werden. MEO und LEO sind nicht-geostationäre Umlaufbahnen (NGSO).

• Geostationäre Satelliten befinden sich in einer geostationären Umlaufbahn (GEO) in 35.785 km Höhe über der Erdoberfläche. Diese Umlaufbahn zeichnet sich dadurch aus, dass sich die scheinbare Position des Satelliten am Himmel, vom Boden aus betrachtet, nicht ändert; der Satellit scheint stillzustehen. Dies liegt daran, dass die Umlaufzeit des Satelliten der Rotationsgeschwindigkeit der Erde entspricht. Der Vorteil dieser Umlaufbahn besteht darin, dass Bodenantennen den Satelliten nicht über den Himmel verfolgen müssen; sie können fest auf den Punkt am Himmel ausgerichtet werden, an dem der Satellit erscheint.
• Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn (MEO) befinden sich näher an der Erde. Ihre Umlaufbahnhöhen reichen von 2.000 bis 36.000 Kilometern (1.200 bis 22.400 Meilen) über der Erde.
• Die Region unterhalb der mittleren Umlaufbahnen wird als niedrige Erdumlaufbahn (LEO) bezeichnet und befindet sich etwa 160 bis 2.000 Kilometer (99 bis 1.243 Meilen) über der Erde.

Da Satelliten in mittleren (MEO) und niedrigen (LEO) Umlaufbahnen die Erde schneller umkreisen, sind sie – anders als geostationäre Satelliten – nicht ständig von einem festen Punkt auf der Erde aus sichtbar. Für einen Beobachter am Boden scheinen sie den Himmel zu überqueren und unterzugehen, sobald sie hinter der Erde hinter dem Horizont verschwinden. Um mit diesen niedrigeren Umlaufbahnen eine kontinuierliche Kommunikation zu gewährleisten, ist daher eine größere Anzahl von Satelliten erforderlich, sodass stets mindestens einer dieser Satelliten für die Übertragung von Kommunikationssignalen sichtbar ist. Aufgrund ihrer geringeren Entfernung zur Erde können LEO- oder MEO-Satelliten jedoch mit geringerer Latenz und niedrigerem Energieaufwand mit der Erde kommunizieren als Satelliten in geosynchronen Umlaufbahnen. ^{[ 29 ]}

Eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) ist typischerweise eine kreisförmige Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 160 bis 2000 Kilometern (99 bis 1243 Meilen) über der Erdoberfläche und hat dementsprechend eine Umlaufzeit (Zeit für einen Umlauf um die Erde) von etwa 90 Minuten. ^{[ 30 ]}

Aufgrund ihrer geringen Flughöhe sind diese Satelliten nur innerhalb eines Radius von etwa 1.000 Kilometern (620 Meilen) um den Subsatellitenpunkt sichtbar. Zudem verändern Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn ihre Position relativ zur Erde schnell. Daher sind selbst für lokale Anwendungen viele Satelliten erforderlich, wenn eine unterbrechungsfreie Verbindung gewährleistet sein muss.

Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen sind kostengünstiger zu starten als geostationäre Satelliten und benötigen aufgrund ihrer Nähe zur Erde keine so hohe Signalstärke (die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung von der Quelle ab, der Effekt ist also beträchtlich). Daher besteht ein Zielkonflikt zwischen der Anzahl der Satelliten und ihren Kosten.

Darüber hinaus gibt es wichtige Unterschiede bei der Bord- und Bodenausrüstung, die zur Unterstützung der beiden Missionstypen benötigt wird.

Eine Gruppe von Satelliten, die zusammenarbeiten, wird als Satellitenkonstellation bezeichnet . Zwei solcher Konstellationen, die Satellitentelefonie und Datendienste mit niedriger Geschwindigkeit, vorwiegend in abgelegenen Gebieten, bereitstellen sollen, sind die Systeme Iridium und Globalstar . Das Iridium-System besteht aus 66 Satelliten mit einer Bahnneigung von 86,4°. Die Verbindungen zwischen den Satelliten ermöglichen die Verfügbarkeit von Diensten auf der gesamten Erdoberfläche. Starlink ist eine von SpaceX betriebene Satelliteninternet-Konstellation , die eine weltweite Abdeckung des Satelliteninternets anstrebt .

Es ist auch möglich, eine diskontinuierliche Abdeckung mithilfe eines Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn zu realisieren, der Daten speichert, die er über einen Teil der Erde überfliegt, und sie später über einen anderen Teil der Erde weiterleitet. Dies ist beispielsweise beim CASCADE-System des kanadischen Kommunikationssatelliten CASSIOPE der Fall . Ein weiteres System, das dieses Speicher- und Weiterleitungsverfahren nutzt, ist Orbcomm .

Ein Satellit in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) befindet sich in einer Höhe zwischen 2.000 und 35.786 Kilometern (1.243 und 22.236 Meilen) über der Erdoberfläche. MEO-Satelliten ähneln in ihrer Funktionsweise LEO-Satelliten. Sie sind jedoch deutlich länger sichtbar als LEO-Satelliten, üblicherweise zwischen zwei und acht Stunden. Zudem haben MEO-Satelliten ein größeres Abdeckungsgebiet. Dank ihrer längeren Sichtbarkeit und größeren Abdeckung benötigen MEO-Satelliten in einem Netzwerk weniger Satelliten als in einem LEO-Netzwerk. Ein Nachteil ist die größere Entfernung, die zu einer längeren Laufzeitverzögerung und einem schwächeren Signal im Vergleich zu LEO-Satelliten führt. Diese Einschränkungen sind jedoch nicht so gravierend wie bei geostationären Satelliten (GEO).

Ähnlich wie LEO-Satelliten halten diese Satelliten keinen konstanten Abstand zur Erde. Dies steht im Gegensatz zur geostationären Umlaufbahn, bei der Satelliten immer 35.786 Kilometer (22.236 Meilen) von der Erde entfernt sind.

Die Umlaufbahn eines Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn liegt typischerweise etwa 16.000 Kilometer (10.000 Meilen) über der Erde. ^{[ 31 ]} Je nach Umlaufbahn benötigen diese Satelliten zwischen 2 und 8 Stunden für einen Erdumlauf.

• 1962 wurde der Kommunikationssatellit Telstar gestartet. Er befand sich in einer mittleren Erdumlaufbahn und sollte die Übertragung von Hochgeschwindigkeitstelefonsignalen ermöglichen. Obwohl er die erste praktikable Methode zur Signalübertragung über den Horizont hinweg darstellte, zeigte sich bald sein größter Nachteil: Da seine Umlaufzeit von etwa 2,5 Stunden nicht mit der Erdrotation von 24 Stunden übereinstimmte, war eine kontinuierliche Abdeckung unmöglich. Es wurde deutlich, dass mehrere Satelliten in mittleren Erdumlaufbahnen (MEOs) benötigt wurden, um eine lückenlose Versorgung zu gewährleisten.
• Im Jahr 2013 wurden die ersten vier einer Konstellation von 20 MEO-Satelliten gestartet. Die O3b- Satelliten bieten Breitband-Internetdienste , insbesondere für abgelegene Gebiete sowie für die Nutzung auf See und in der Luftfahrt, und umkreisen die Erde in einer Höhe von 8.063 Kilometern (5.010 Meilen). ^{[ 32 ]}

Für einen Beobachter auf der Erde erscheint ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn unbeweglich, an einer festen Position am Himmel. Dies liegt daran, dass er die Erde mit der Winkelgeschwindigkeit der Erde selbst umkreist (eine Umdrehung pro siderischem Tag in einer äquatorialen Umlaufbahn ).

Eine geostationäre Umlaufbahn ist für die Kommunikation vorteilhaft, da Bodenantennen auf den Satelliten ausgerichtet werden können, ohne dessen Bewegung verfolgen zu müssen. Dies ist vergleichsweise kostengünstig.

Bei Anwendungen, die viele Bodenantennen erfordern, wie beispielsweise die DirecTV- Verteilung, können die Einsparungen bei der Bodenausrüstung die Kosten und die Komplexität der Platzierung eines Satelliten in der Umlaufbahn mehr als ausgleichen.

• Der erste geostationäre Satellit war Syncom 3 , der am 19. August 1964 gestartet wurde und zunächst für die Kommunikation über den Pazifik hinweg, beginnend mit der Fernsehübertragung der Olympischen Sommerspiele 1964 , eingesetzt wurde . Kurz darauf, am 6. April 1965, folgte Intelsat I , auch bekannt als Early Bird , der gestartet und in eine Umlaufbahn auf 28° westlicher Länge gebracht wurde. Er war der erste geostationäre Satellit für die Telekommunikation über dem Atlantik.
• Am 9. November 1972 startete Telesat Canada mit Anik A1 den ersten geostationären Satelliten Kanadas , der den Kontinent bediente. Die Vereinigten Staaten folgten am 13. April 1974 mit dem Start von Westar 1 durch Western Union .
• Am 30. Mai 1974 wurde der weltweit erste geostationäre Kommunikationssatellit mit dreiachsiger Stabilisierung gestartet: der experimentelle Satellit ATS-6, der für die NASA gebaut wurde .
• Nach dem Start der Satelliten Telstar bis Westar 1 brachte RCA Americom (später GE Americom, heute SES ) 1975 Satcom 1 auf den Markt. Satcom 1 trug maßgeblich zum Erfolg früher Kabelfernsehsender wie WTBS (heute TBS ), HBO , CBN (heute Freeform ) und The Weather Channel bei, da diese Sender ihre Programme über den Satelliten an alle lokalen Kabelfernsehzentralen ausstrahlten . Zudem war er der erste Satellit, den US-amerikanische Fernsehsender wie ABC , NBC und CBS zur Programmverteilung an ihre lokalen Partnerstationen nutzten. Satcom 1 war weit verbreitet, da er die doppelte Kommunikationskapazität des konkurrierenden Westar 1 in Amerika aufwies (24 Transponder gegenüber 12 bei Westar 1), was zu geringeren Transponderkosten führte. Satelliten in späteren Jahrzehnten hatten tendenziell noch höhere Transponderzahlen.

Bis zum Jahr 2000 hatte Hughes Space and Communications (heute Boeing Satellite Development Center ) fast 40 Prozent der weltweit über hundert im Einsatz befindlichen Satelliten gebaut. Zu den weiteren bedeutenden Satellitenherstellern zählen Space Systems/Loral , Orbital Sciences Corporation mit der Starbus- Serie, die Indian Space Research Organisation ( ISRO) , Lockheed Martin (Eigentümer des ehemaligen Geschäftsbereichs RCA Astro Electronics/GE Astro Space), Northrop Grumman , Alcatel Space (heute Thales Alenia Space ) mit der Spacebus -Serie und Astrium .

Geostationäre Satelliten müssen oberhalb des Äquators operieren und erscheinen daher umso tiefer am Horizont, je weiter sich der Empfänger vom Äquator entfernt. Dies führt zu Problemen in extremen nördlichen Breitengraden, beeinträchtigt die Konnektivität und verursacht Mehrwegeausbreitung (durch Signale, die vom Boden reflektiert und in die Bodenantenne eingekoppelt werden).

Daher kann es in Gebieten nahe dem Nord- (und Süd-)Pol vorkommen, dass ein geostationärer Satellit unter dem Horizont erscheint. Um dieses Problem zu beheben, wurden daher, hauptsächlich in Russland, Satelliten in der Molniya-Umlaufbahn gestartet.

Molniya-Orbits können in solchen Fällen eine attraktive Alternative darstellen. Der Molniya-Orbit ist stark geneigt, wodurch während des nördlichen Teils des Orbits eine gute Elevation über ausgewählten Positionen gewährleistet wird. (Die Elevation ist der Winkel, in dem sich der Satellit über dem Horizont befindet. Ein Satellit am Horizont hat demnach eine Elevation von null Grad, und ein Satellit direkt über dem Horizont hat eine Elevation von 90 Grad.)

Die Umlaufbahn von Molniya ist so ausgelegt, dass sich der Satellit die meiste Zeit über den nördlichsten Breiten befindet, wodurch sich sein Erfassungsbereich nur geringfügig verändert. Seine Umlaufzeit beträgt einen halben Tag, sodass der Satellit jede zweite Umdrehung sechs bis neun Stunden lang über dem Zielgebiet einsatzbereit ist. Auf diese Weise kann eine Konstellation von drei Molniya-Satelliten (plus Ersatzsatelliten im Orbit) eine lückenlose Abdeckung gewährleisten.

Der erste Satellit der Molniya -Serie wurde am 23. April 1965 gestartet und diente der experimentellen Übertragung von Fernsehsignalen von einer Moskauer Uplink- Station zu Downlink- Stationen in Sibirien und dem russischen Fernen Osten, in Norilsk , Chabarowsk , Magadan und Wladiwostok . Im November 1967 entwickelten sowjetische Ingenieure ein einzigartiges nationales Satellitenfernsehnetz namens Orbita , das auf den Molniya - Satelliten basierte.

In den Vereinigten Staaten wurde 1994 das National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System (NPOESS) gegründet, um die Polarsatellitenoperationen der NASA (National Aeronautics and Space Administration) und der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) zu bündeln. NPOESS betreibt eine Reihe von Satelliten für verschiedene Zwecke, beispielsweise METSAT für Wetterbeobachtungen, EUMETSAT für den europäischen Zweig des Programms und METOP für meteorologische Operationen.

Diese Umlaufbahnen sind sonnensynchron, das heißt, sie überqueren den Äquator jeden Tag zur gleichen Ortszeit. Beispielsweise überqueren die Satelliten der zivilen NPOESS-Umlaufbahn den Äquator von Süden nach Norden um 13:30 Uhr, 17:30 Uhr und 21:30 Uhr.

Es gibt Pläne und Initiativen, dedizierte Kommunikationssatelliten jenseits geostationärer Umlaufbahnen zu positionieren. Die NASA schlug LunaNet als Datennetzwerk vor, das ein „Mond-Internet“ für Raumfahrzeuge und Anlagen im Mondzirkus bereitstellen soll. Die Moonlight Initiative ist ein vergleichbares ESA-Projekt ^{[ 33 ] [ 34 ]} , das kompatibel sein und Navigationsdienste für die Mondoberfläche anbieten soll. Beide Programme umfassen Satellitenkonstellationen mit mehreren Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen um den Mond.

Es ist geplant, auch andere Umlaufbahnen zu nutzen. Positionen an den Punkten Erde-Mond-Libration werden ebenfalls für Kommunikationssatelliten vorgeschlagen, die den Mond abdecken, ähnlich wie Kommunikationssatelliten in geosynchronen Umlaufbahnen die Erde abdecken. ^{[ 35 ] [ 36 ]} Darüber hinaus werden dedizierte Kommunikationssatelliten in Umlaufbahnen um den Mars zur Unterstützung verschiedener Missionen auf der Marsoberfläche sowie in anderen Umlaufbahnen, wie beispielsweise dem Mars Telecommunications Orbiter , in Betracht gezogen .

Kommunikationssatelliten bestehen üblicherweise aus folgenden Teilsystemen:

• Die Kommunikationsnutzlast besteht normalerweise aus Transpondern , Antennen , Verstärkern und Vermittlungssystemen.
• Triebwerke, die den Satelliten in seine gewünschte Umlaufbahn bringen
• Ein Positionsregelungs-, Nachführ- und Stabilisierungssystem dient dazu, den Satelliten in der richtigen Umlaufbahn zu halten, seine Antennen in die richtige Richtung auszurichten und sein Energiesystem zur Sonne zu richten.
• Das Stromversorgungssystem, das zur Energieversorgung der Satellitensysteme dient, besteht normalerweise aus Solarzellen und Batterien, die die Stromversorgung während einer Sonnenfinsternis aufrechterhalten.
• Das Kommando- und Kontrollsystem hält die Kommunikation mit den Bodenkontrollstationen aufrecht. Die Bodenkontrollstationen überwachen die Leistung des Satelliten und steuern seine Funktionalität in verschiedenen Phasen seines Lebenszyklus.

Die von einem Satelliten verfügbare Bandbreite hängt von der Anzahl der Transponder ab. Jeder Dienst (Fernsehen, Telefonie, Internet, Radio) benötigt eine unterschiedliche Bandbreite für die Übertragung. Dies wird üblicherweise als Link-Budgetierung bezeichnet, und ein Netzwerk-Simulator kann verwendet werden, um den genauen Wert zu ermitteln.

Die Zuteilung von Frequenzen an Satellitendienste ist ein komplexer Prozess, der internationale Koordination und Planung erfordert. Dies geschieht unter der Schirmherrschaft der Internationalen Fernmeldeunion (ITU). Zur Vereinfachung der Frequenzplanung ist die Welt in drei Regionen unterteilt:

• Region 1: Europa, Afrika, der Nahe Osten, die ehemalige Sowjetunion und die Mongolei
• Region 2: Nord- und Südamerika und Grönland
• Region 3: Asien (ohne die Gebiete der Region 1), Australien und der südwestliche Pazifik

Innerhalb dieser Regionen werden Frequenzbänder verschiedenen Satellitendiensten zugeordnet, wobei ein bestimmter Dienst in verschiedenen Regionen unterschiedliche Frequenzbänder nutzen kann. Zu den von Satelliten angebotenen Diensten gehören unter anderem:

• Fester Satellitenempfang (FSS)
• Rundfunksatellitendienst (BSS)
• Mobiler Satellitendienst
• Radionavigationssatellitendienst
• Meteorologischer Satellitendienst

Die erste und historisch wichtigste Anwendung von Kommunikationssatelliten war die interkontinentale Ferntelefonie . Das öffentliche Festnetz (PSTN) leitet Telefongespräche von Festnetzanschlüssen an eine Bodenstation weiter , von wo aus sie an einen geostationären Satelliten übertragen werden. Der Downlink verläuft analog. Verbesserungen bei Unterseekabeln durch den Einsatz von Glasfasern führten Ende des 20. Jahrhunderts zu einem gewissen Rückgang der Nutzung von Satelliten für die Festnetztelefonie.

Satellitenkommunikation wird auch heute noch in vielen Bereichen eingesetzt. Abgelegene Inseln wie Ascension , St. Helena , Diego Garcia und die Osterinsel , wo keine Seekabel in Betrieb sind, benötigen Satellitentelefone. Auch in einigen Regionen bestimmter Kontinente und Länder, beispielsweise in großen Teilen Südamerikas, Afrikas, Kanadas, Chinas, Russlands und Australiens, ist Festnetztelefonie selten oder gar nicht vorhanden. Satellitenkommunikation ermöglicht zudem Verbindungen zu den Randgebieten der Antarktis und Grönlands . Weitere Anwendungsgebiete für Satellitentelefone sind Bohrinseln auf See, die als Backup für Krankenhäuser dienen, militärische Einrichtungen und der Freizeitbereich. Schiffe und Flugzeuge nutzen häufig Satellitentelefone. ^{[ 37 ]}

Satellitentelefonsysteme lassen sich auf verschiedene Weise realisieren. Im größeren Maßstab gibt es in abgelegenen Gebieten oft lokale Telefonsysteme, die mit dem Festlandnetz verbunden sind. Alternativ bieten Dienste an, die ein Funksignal an ein Telefonsystem weiterleiten. Hierbei kann nahezu jeder Satellitentyp genutzt werden. Satellitentelefone verbinden sich direkt mit einer Konstellation geostationärer oder erdnaher Satelliten. Anrufe werden dann an einen Satelliten- Teleport weitergeleitet , der mit dem öffentlichen Telefonnetz verbunden ist.

Da das Fernsehen zum Hauptmarkt wurde, entsprach dessen Bedarf an der gleichzeitigen Übertragung relativ weniger Signale mit großer Bandbreite an viele Empfänger besser den Fähigkeiten geostationärer Kommunikationssatelliten. Für Fernsehen und Radio in Nordamerika werden zwei Satellitentypen verwendet: Direktempfangssatellit (DBS) und Festnetzsatellit (FSS).

Die Definitionen von FSS- und DBS-Satelliten außerhalb Nordamerikas, insbesondere in Europa, sind etwas uneinheitlicher. Die meisten Satelliten, die in Europa für den Direktempfang von Fernsehen genutzt werden, haben die gleiche hohe Sendeleistung wie DBS-Satelliten in Nordamerika, verwenden aber die gleiche lineare Polarisation wie FSS-Satelliten. Beispiele hierfür sind die Satelliten Astra , Eutelsat und Hotbird, die über dem europäischen Kontinent kreisen. Daher werden die Begriffe FSS und DBS hauptsächlich in Nordamerika verwendet und sind in Europa eher unüblich.

Festnetzsatelliten nutzen das C-Band und die unteren Bereiche des Ku _- Bandes . Sie werden üblicherweise für die Übertragung von Fernsehsignalen zu und von Fernsehsendern und lokalen Partnerstationen verwendet (z. B. für Programmzuspielungen von Netzwerk- und Syndikationsprogrammen, Live-Schaltungen und Backhaul-Verbindungen ). Darüber hinaus werden sie für Fernunterricht an Schulen und Universitäten, Business-TV , Videokonferenzen und allgemeine kommerzielle Telekommunikation eingesetzt. Festnetzsatelliten dienen außerdem der Verteilung nationaler Kabelkanäle an Kabelfernseh-Kopfstellen.

Frei empfangbare Satellitenfernsehkanäle werden üblicherweise auch über FSS-Satelliten im Ku _- Band verbreitet. Die Satelliten Intelsat Americas 5 , Galaxy 10R und AMC 3 über Nordamerika bieten eine große Anzahl frei empfangbarer Kanäle über ihre Ku _- Band -Transponder .

Der amerikanische DBS- Dienst Dish Network nutzt seit Kurzem auch die FSS-Technologie für seine Programmpakete, die die SuperDish- Antenne erfordern. Grund dafür ist, dass Dish Network gemäß den „Must-Carry“-Vorschriften der FCC mehr Kapazität benötigt, um lokale Fernsehsender zu übertragen , und mehr Bandbreite für die Übertragung von HDTV- Kanälen benötigt.

Ein Direktempfangssatellit (DBS) ist ein Kommunikationssatellit, der Signale an kleine DBS- Satellitenschüsseln (üblicherweise 45 bis 60 cm Durchmesser) sendet. Direktempfangssatelliten arbeiten in der Regel im oberen Bereich des Mikrowellen -Ku _- Bandes . Die DBS-Technologie wird für DTH-basierte ( Direct-to-Home ) Satellitenfernsehdienste wie DirecTV , DISH Network und Orby TV ^{[ 38 ]} in den USA, Bell Satellite TV und Shaw Direct in Kanada, Freesat und Sky in Großbritannien, Irland und Neuseeland sowie DSTV in Südafrika verwendet.

FSS-Satelliten arbeiten mit niedrigerer Frequenz und geringerer Leistung als DBS-Satelliten und benötigen daher deutlich größere Empfangsantennen (1 bis 2,5 m Durchmesser im Ku _- Band und 3,6 m oder größer im C-Band). Sie nutzen lineare Polarisation für die HF-Ein- und Ausgänge der Transponder (im Gegensatz zur zirkularen Polarisation bei DBS-Satelliten), was jedoch ein geringfügiger technischer Unterschied ist, der für den Nutzer nicht wahrnehmbar ist. Die FSS-Satellitentechnologie wurde ursprünglich von Ende der 1970er bis Anfang der 1990er Jahre in den USA auch für DTH-Satellitenfernsehen in Form von TVRO- Receivern (nur Fernsehempfang) und entsprechenden Antennen eingesetzt. Sie wurde außerdem in ihrer Ku _- Band-Variante für den inzwischen eingestellten Satellitenfernsehdienst Primestar verwendet.

Es wurden bereits einige Satelliten gestartet, die Transponder im K _-a- Band besitzen , wie beispielsweise der Satellit SPACEWAY-1 von DirecTV und Anik F2 . NASA und ISRO ^{[ 39 ] [ 40 ]} _{haben kürzlich ebenfalls experimentelle Satelliten mit K -a-} Band-Baken gestartet . ^{[ 41 ]}

Einige Hersteller bieten spezielle Antennen für den mobilen Empfang von DBS-Fernsehen an. Mithilfe von GPS richten sich diese Antennen automatisch auf den Satelliten aus, unabhängig von der Position des Fahrzeugs (an dem die Antenne montiert ist). Diese mobilen Satellitenantennen sind bei Wohnmobilbesitzern beliebt. Auch JetBlue Airways nutzt solche mobilen DBS-Antennen für DirecTV (bereitgestellt von LiveTV , einer Tochtergesellschaft von JetBlue), das Passagiere an Bord auf in den Sitzen integrierten LCD-Bildschirmen empfangen können.

Satellitenradio bietet in einigen Ländern, insbesondere in den Vereinigten Staaten, Audioübertragungsdienste an . Mobile Dienste ermöglichen es Hörern, sich auf einem Kontinent frei zu bewegen und überall dasselbe Audioprogramm zu hören.

Satellitenradio oder Abonnementradio (SR) ist ein digitales Radiosignal, das von einem Kommunikationssatelliten ausgestrahlt wird und eine viel größere geografische Reichweite als terrestrische Radiosignale hat.

Amateurfunker haben Zugang zu Amateurfunksatelliten, die speziell für den Amateurfunkverkehr entwickelt wurden. Die meisten dieser Satelliten fungieren als Weltraum-Relaisstationen und werden in der Regel von Funkamateuren mit UHF- oder VHF -Funkgeräten und Richtantennen wie Yagi- oder Parabolantennen genutzt. Aufgrund der hohen Startkosten werden die meisten Amateurfunksatelliten in relativ niedrige Erdumlaufbahnen gebracht und sind darauf ausgelegt, jeweils nur eine begrenzte Anzahl kurzer Verbindungen zu ermöglichen. Einige Satelliten bieten auch Datenweiterleitungsdienste über das X.25- Protokoll oder ähnliche Protokolle an.

Seit den 1990er-Jahren wird Satellitenkommunikationstechnologie genutzt, um über Breitband-Datenverbindungen eine Internetverbindung herzustellen. Dies ist besonders nützlich für Nutzer in abgelegenen Gebieten, die keinen Breitbandanschluss haben oder eine hohe Verfügbarkeit der Dienste benötigen.

Kommunikationssatelliten werden für militärische Kommunikationsanwendungen wie globale Führungs- und Kontrollsysteme eingesetzt . Beispiele für militärische Systeme, die Kommunikationssatelliten nutzen, sind MILSTAR , DSCS und FLTSATCOM der USA, NATO- Satelliten, britische Satelliten (z. B. Skynet ) und Satelliten der ehemaligen Sowjetunion . Indien hat seinen ersten militärischen Kommunikationssatelliten GSAT-7 gestartet ; dessen Transponder arbeiten in den Frequenzbändern _UHF , F , C und Ku . [ ^{42 ] Typischerweise} operieren militärische Satelliten in den Frequenzbändern UHF, SHF (auch bekannt als X-Band ) oder EHF (auch bekannt als Ka _- Band ).

Bodennahe Umweltüberwachungsgeräte (wie Pegelmessgeräte , Wetterstationen , Wetterbojen und Radiosonden ) können Satelliten für die unidirektionale Datenübertragung oder die bidirektionale Telemetrie und Fernsteuerung nutzen . ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} Dies kann auf einer Sekundärnutzlast eines Wettersatelliten (wie bei GOES , METEOSAT und anderen Satelliten des Argos-Systems ) oder auf dedizierten Satelliten (wie SCD ) basieren. Die Datenrate ist typischerweise deutlich geringer als beim Satelliteninternet .

• Slotten, Hugh R. Jenseits von Sputnik und dem Weltraumrennen: Die Ursprünge der globalen Satellitenkommunikation (Johns Hopkins University Press, 2022); Online-Rezension

• Kurze Geschichte der Kommunikationssatelliten. Archiviert am 12.05.2015 im Internet Archive von David J. Whalen.
• Jenseits der Ionosphäre: Fünfzig Jahre Satellitenkommunikation (NASA SP-4217, 1997)