Was AOCs für Satelliten so unverzichtbar macht

Die Deckung des unersättlichen Bedarfs an bandbreitenstarker und zuverlässiger Datenübertragung ist eine Voraussetzung für Anwendungen im Bereich Satelliten und Weltraumforschung, bei denen eine unterbrechungsfreie Kommunikation entscheidend ist. Laut einer Studie von Research and Markets aus dem Jahr 2024 führt der rasante Anstieg der Weltraumforschung in Verbindung mit den zunehmenden Satellitenstarts zu einem steigenden Bedarf an strahlungsfester Elektronik, die kosmischer Strahlung und Sonneneruptionen standhält. Daher wird der weltweite Markt für strahlungsfeste Elektronik bis 2034 voraussichtlich ein Volumen von 9,77 Mrd. US-$ erreichen. Dieses Wachstum wird von privaten und staatlichen Stellen vorangetrieben, die sich für hochrobuste und zuverlässige Lösungen entscheiden, die extremer ionisierender Strahlung standhalten und strenge Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme (SWaP) erfüllen.

Das US-Verteidigungsministerium (DoD) ist in hohem Maße auf Satelliten angewiesen, deren Einsatz als oberste Priorität der Space Development Agency (SDA) gilt. Die SDA ist für die Entwicklung und den Einsatz der „Proliferated Warfighter Space Architecture“ verantwortlich und plant die Stationierung Hunderter optisch miteinander verbundener Satelliten, um missionskritische Daten für die Bereiche Transport, Verfolgung, Überwachung, Abschreckung, Navigation, Kampfmanagement und Unterstützung zu sammeln und zu übertragen.

Ende März 2025 kündigte SpaceWERX, der Innovationszweig der US-Weltraumstreitkräfte, Pläne zur Entwicklung mehrerer manövrierfähiger Raumfahrzeuge an, um die Geschwindigkeit und Flexibilität von Weltraumoperationen zu erhöhen. Die Entwicklung eines Orbitalträgers soll als vorpositionierte Satellitenstartrampe im Weltraum dienen, um die Weltraumverteidigung der USA durch den bedarfsgerechten Einsatz von Raumfahrzeugen und Satelliten zu verbessern. Diese Prioritäten stehen im Einklang mit der Notwendigkeit, die von Raumfahrzeug-Nutzlasten (einschließlich Sensoren, Instrumenten und Technologien) gesammelten Daten an andere Raumfahrzeugmodule zur Verarbeitung und Analyse an Bord zu übertragen, bevor die Ergebnisse an den Boden gesendet werden.

Wie höhere Bandbreiten die Entwicklung robuster Weltraumkommunikation erschweren

Kontinuierliche Verbesserungen bei Avionikmodulen und Raumfahrzeugnutzlasten führen zu immer größeren Mengen hochauflösender Daten, für deren Übertragung zwischen den Modulen Kabel mit hoher Bandbreite erforderlich sind. Um mit den steigenden Datenraten Schritt zu halten, setzen Entwickler im Raumfahrtbereich auf Kommunikationsverbindungen mit höherer Geschwindigkeit, darunter auch Alternativen zu herkömmlichen Kupferkoaxialkabeln. Die Entwicklung strahlungsfester Verbindungen ist ein Balanceakt, da sie immer größere Bandbreiten bewältigen und einer längeren Einwirkung extremer umgebungsbedingter, elektrischer, mechanischer und thermischer Belastungen standhalten müssen.

Rechenleistung und Zuverlässigkeit für die Raumfahrt der Zukunft

Vor 20 Jahren wählte die NASA den Prozessor RAD750 für die Raumfahrt-Datenverarbeitung aus. Die heute viel größere öffentliche und private Raumfahrtindustrie hat einen breiteren und schnell wachsenden Rechenbedarf, den die PIC64-HPSC-MPU erfüllt.

Zunächst einmal muss die Elektronik, um schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten zu unterstützen, strahlungsunempfindlicher sein. Im Laufe der Zeit kann ionisierende Strahlung, die anhand der Gesamtionisationsdosis (TID) gemessen wird, die Leistungsfähigkeit von Komponenten beeinträchtigen und sie unbrauchbar machen. Darüber hinaus können durch die Wechselwirkung mit hochenergetischen Teilchen verursachte Single-Event-Effekte (SEE) zu elektronischen Störungen führen. Diese reichen von intermittierenden Fehlern und Spannungsunterbrechungen bis hin zu katastrophalen Systemausfällen.

Die Wahl von Glasfaserkabeln anstelle von Kupferkabeln ermöglicht deutlich höhere Geschwindigkeiten über größere Entfernungen ohne Signalverschlechterung. Im Gegensatz zu Koaxialkabeln sind Glasfaserkabel immun gegen elektromagnetische Störungen (EMI), da sie auf der Übertragung von Licht statt auf der Übertragung elektrischer Signale beruhen und Licht nicht von EMI beeinflusst wird. Glasfaser bringt jedoch neue betriebliche Herausforderungen mit sich, da herkömmliche Glasfaserverbindungen präzise gespleißt, poliert und terminiert werden müssen, um das Risiko einer Kontamination durch Fremdkörper (FOD) und Kabelschäden zu vermeiden, die zu zeitweiligen oder vollständigen Verbindungsausfällen führen können. Zudem sind strenge Reinigungs- und Inspektionsmaßnahmen für Glasfaserverbindungen erforderlich, um kontaminierte Verbindungen zu vermeiden, die nach wie vor eine der häufigsten Ursachen für glasfaserbedingte Leistungsprobleme in Rechenzentren sind.

LEO bietet spannende Möglichkeiten für die Sparte des Satelliten-PNT

LEO-PNT könnte einen wichtigen Beitrag zur Überwindung einiger der heutigen Einschränkungen von GNSS leisten. Wenn die richtigen Konzeptionsentscheidungen getroffen werden, könnte dies bei einigen Anwendungen ein entscheidender Faktor sein. Es ist jedoch noch viel Arbeit nötig, um die besten LEO-Lösungen zu erforschen

Hilfe bietet hier eine Untergruppe von Glasfaserkabel-Lösungen: aktive optische Kabel (AOC). Diese vereinen die Vorteile von Kupfer- und Glasfaserkabeln in einer integrierten Verbindungsbaugruppe. AOCs sind in Rechenzentren bereits weit verbreitet, um Server und Netzwerkgeräte zu verbinden, wenn die Entfernungsanforderungen die Grenzen von Kupferkabeln überschreiten. Jetzt kommen AOCs der nächsten Generation für den Weltraumeinsatz auf den Markt, die erhebliche Vorteile für den Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsmarkt bieten. Die Technik ermöglicht nicht nur eine schnelle Übertragung mit hoher Kapazität (Big Pipe), sondern bietet Produktentwicklern auch die dringend benötigte Flexibilität, Modularität und Vielseitigkeit beim Design.

Wie AOCs elektrische Signale in optische Datenübertragung umwandeln

Im Gegensatz zu herkömmlichen Glasfaserkabeln, die aus Fasern bestehen, die mit optischen Steckverbindern abgeschlossen sind, handelt es sich bei AOCs um Glasfaserkabel mit elektrischen Steckverbindern an jedem Ende. Sie akzeptieren die gleichen elektrischen Eingänge wie herkömmliche Kupferkabel, verwenden jedoch Glasfasern zwischen den Steckverbindern, um die Kabelgeschwindigkeit und -reichweite zu erhöhen, ohne die Kompatibilität mit elektrischen Standardschnittstellen zu beeinträchtigen.

Ein elektrisches Signal durchläuft auf der Sendeseite eines AOC die Kupferschnittstelle und löst einen Laserdiodentreiber (LDD) aus, der den vertikalen Oberflächenemitter-Laser (VCSEL) zum Leuchten bringt (Bild 1). Dieser sendet dann ein optisches Signal über die Faser zum Empfangsende des Kabels, wo es von einer PIN-Fotodiode empfangen wird. Dabei handelt es sich um einen Fotodetektor oder ein Halbleiterbauelement, das Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. Die PIN-Fotodiode sendet das Signal an den Strom-Spannungs-Wandler TIA, Transimpedanz-Verstärker), der ein elektrisches Signal erzeugt und über die Kupferverbindung zurück an Geräte, Hosts oder Leiterplatten (PCBs) sendet.

Die Bedienung ist einfach: Der Benutzer zieht das Kupferkabel ab und steckt das AOC ein, um zusätzliche Geschwindigkeits- und Leistungsvorteile zu erzielen. Der Abschluss des Glasfaserkabels erfolgt systemintern, was Probleme beim Spleißen, Polieren und Konfektionieren der Faser vermeidet. Bei AOCs werden die Faserabschlüsse während der Montage in einer Reinraumumgebung durchgeführt, was das Kontaminationsrisiko weiter reduziert.

Einer der größten Vorteile von AOCs ist ihre Vielseitigkeit, da je nach Anwendungsbedarf Kupfer oder Glasfaser verwendet werden kann. Bei kurzen Entfernungen (weniger als 3 m) ist Kupfer nach wie vor kostengünstiger und daher die bevorzugte Option. Bei größeren Distanzen sowie in Anwendungen, bei denen die Signalintegrität entscheidend ist, sind AOCs jedoch die bessere Wahl. Weltraumtaugliche AOCs unterstützen derzeit eine Gesamtbandbreite von bis zu 50 GBit/s bei einer Länge von 35 m, während robuste, nicht weltraumtaugliche Optionen ähnliche Geschwindigkeiten bei Entfernungen von bis zu 100 m unterstützen.

AOCs wurden für mehrspurige Datenkommunikation und Verbindungsanwendungen entwickelt und sind protokollunabhängig, was insbesondere in der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie relevant ist, wo proprietäre Anwendungen und Protokolle weit verbreitet sind. AOCs wiegen weniger als Kupfer, sind stoß- und vibrationsbeständiger als herkömmliche Glasfaser-Transceiver-Lösungen und lassen sich einfacher installieren.

AOCs haben außerdem einen geringeren Kabeldurchmesser als Kupferkabel, was die Installation und Verlegung in Satelliten und Raumfahrzeugen mit begrenztem Platzangebot erleichtert. Die kombinierten Funktionen reduzieren die Kosten und Komplexität der Lieferkette, da Kunden eine ganzheitliche Verbindungslösung von einem erstklassigen AOC-Anbieter kaufen können, ohne mehrere Lieferanten suchen und verwalten zu müssen. 

Welche Vorteile AOCs gegenüber Kupfer- und Glasfaserlösungen im Orbit bieten

AOCs sind seit langem in Rechenzentren weit verbreitet und haben sich durch den Einsatz zunehmend robusterer handelsüblicher (COTS) Komponenten weiterentwickelt. Diese vereinfachen die Montage und den Einsatz und erhöhen die Zuverlässigkeit. Weltraumtaugliche AOCs bieten eine höhere Leistungsfähigkeit bei geringerem Platzbedarf, weniger Gewicht und weniger Wartungsaufwand als herkömmliche AOCs (Bild 2). Für Raumfahrtanwendungen müssen Unternehmen jedoch bereit sein, eine Reihe strenger Anforderungen zu erfüllen, die als thermisch, elektrisch, mechanisch, optisch und strahlungsbezogen (TEMOR) klassifiziert sind.

Eine anderer Balanceakt ergibt sich, wenn es um die besonderen Umstände beim Einsatz von Elektronik im Weltraum geht. Entscheidend ist, die genaue Anwendung sowie die vorgesehene Lebensdauer aller zugehörigen Elektronikkomponenten zu verstehen, ebenso wie alle möglichen Umgebungseinflüsse, die während der Mission auftreten können. Dies ermöglicht die Bewertung geeigneter Sicherheitsfaktoren. So hat die Gewährleistung der Widerstandsfähigkeit gegen die Auswirkungen strahlungsinduzierter Dämpfung (RIA) höchste Priorität. RIA kann sich mit zunehmender Entfernung verschlimmern und zu einer allmählichen Verdunkelung optischer Materialien führen, wodurch es für das Licht immer schwieriger wird, die Glasfaser zu durchdringen.

Weitere Überlegungen reichen von Anforderungen an verschiedene Fehlerkorrekturmechanismen und redundante Schaltungen bis hin zu speziellen Materialien für Abschirmungen und Gehäuse. Bei den Entwicklungsbemühungen sollte zunehmend auch die vom US-Verteidigungsministerium bevorzugte Methode zur Entwicklung anpassungsfähiger Systeme berücksichtigt werden, die als Referenzrahmen „Space Systems MOSA“ (modularer offener Systemansatz) bekannt ist. MOSA befürwortet offene Schnittstellenstandards mit modularen Systemen, um die Bereitstellung zu beschleunigen und die Widerstandsfähigkeit und Kompatibilität zukünftiger Weltraumsysteme zu verbessern.

Militär-Elektronik Normen: Überblick über MIL STD & MIL PRF

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Welche Belastungen Verbindungstechnik in Satelliten überstehen muss

Weltraumtaugliche Elektronik muss auch einem breiten Temperaturbereich standhalten und die Freisetzung von Gas aus Kabeln und Komponenten im Vakuum des Weltraums minimieren. Weitere wichtige Aspekte sind Stromverbrauch, Vibrationsstärke, Entfernung der optischen Kabel sowie Art und Dauer der Strahlenbelastung. Vor allem müssen Verbindungen so konstruiert sein, dass sie strahlungsbedingter Versprödung, Leitfähigkeitsverlust und atomarer Sauerstofferosion standhalten und einen zuverlässigen Betrieb in Vakuumumgebungen gewährleisten.

AOCs sind einfacher aufgebaut und bestehen aus weniger Teilen als herkömmliche Transceiver, was potenzielle Fehlerquellen und Lagerbestände (SKUs) reduziert. Um jedoch höchste Zuverlässigkeit für den Weltraumeinsatz zu erreichen, müssen Produktdesigns gründlich analysiert werden. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die Produkte auch unter härtesten Bedingungen einwandfrei funktionieren.

Während des gesamten Design- und Entwicklungsprozesses muss eine Vielzahl von Tests durchgeführt werden, um die Produktleistungsfähigkeit für die beabsichtigte Anwendung und den Lebenszyklus zu qualifizieren (Bild 3). Die Worst-Case-Analyse der langen Liste von Funktionsmerkmalen kann elektrische Belastung, Telemetrie- und Befehlsschnittstelle, Entkopplung, Derating, Timing, Logikkompatibilität, Verbindungsmarge, Leistungssequenzierung, Stromverbrauch und Signalintegrität umfassen.

Belastungs- und Dynamikanalysen sind unerlässlich

Nach einem vollständigen und umfassenden Designprozess muss bei der Kabelkonfektionierung mit großer Sorgfalt vorgegangen werden. Dazu gehören Belastungs- und Dynamikanalysen, um die Leistungsfähigkeit über das gesamte Spektrum dynamischer und thaermischer Umgebungen hinweg zu messen. Weitere Tests, z. B. Entlüftungsanalysen, sollten durchgeführt werden, um festzustellen, wie gut die Konfektionierung Druckentlastungs- und Druckbeaufschlagungszyklen toleriert. Hinzu kommen elektrische und HF-Simulationen und -Analysen.

Umfassende Produktdesignbewertungen sind unerlässlich, um die Komponenten Strahlungs-, EMI-, Wärme-, VCSEL- und PIN-Lebensdauertests bei verschiedenen Temperaturen und Vorspannungsbedingungen auszusetzen. Je nach Schwere der Leistungsanforderungen können mehrere Testzyklen erforderlich sein, die zu Berichten mit Hunderten von Seiten an Ergebnissen führen, bevor ein für den Weltraum zugelassenes Produkt freigegeben wird. Auf der Fertigungsseite sind Reinraumumgebungen erforderlich, die von speziell geschulten Technikern überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Optiken ordnungsgemäß versiegelt sind und gleichzeitig vor einer möglichen FOD-Exposition geschützt sind.

Wie EMV-Tests Raumfahrttechnik absichern

Elektromagnetische Störungen stellen eine ernstzunehmende Gefahr für Raumfahrtsysteme dar. Um die Störfestigkeit kritischer Bordelektronik zuverlässig zu gewährleisten, sind normgerechte EMV-Prüfungen unerlässlich.

Wenn es schnell gehen muss, verkürzen strahlungsfeste SAOC-Lösungen den Entwicklungsaufwand, da keine speziellen Transceiver erforderlich sind und Zeit und Kosten für die Reinigung, Prüfung und Terminierung von Glasfasern entfallen. Darüber hinaus ergeben sich Skaleneffekte, da beide Enden einer Kommunikationsverbindung im Besitz des Kunden sind und somit keine zwei unterschiedlichen Lösungen von verschiedenen Anbietern transportiert und zertifiziert werden müssen. Auch die Standards für Tests, Analysen und die Abnahme von Chargen werden angehoben. In Zukunft wird die Fähigkeit, Satelliten und Raumfahrzeuge der nächsten Generation zu entwickeln und einzusetzen, von der Verfügbarkeit strahlungsfester und nicht ausgasender elektronischer Komponenten abhängen. (na)