Echtzeit-Satellitenüberwachung mit skalierbarer Hochgeschwindigkeits-Digitalisierung

Hochleistungs-Digitizer und Edge-Verarbeitung von Teledyne SP Devices ermöglichen multibandfähige, latenzarme Satellitensignalüberwachung in Echtzeit.

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Die Aufgaben einer Satellitenüberwachung sind klar umrissen: Sie erfasst kontinuierlich die Signale der Satellitenkommunikation und Navigation mit dem Ziel, die Verbindungsqualität sicherzustellen, Störungen zu erkennen und die Einhaltung der Frequenzvorschriften zu überprüfen. Satellitenüberwachungssysteme ermöglichen eine konsistente Sichtbarkeit des Uplink- und Downlink-Verhaltens. Damit sind sie wichtige Systembausteine für Aufgaben wie GNSS-Integrität, Frequenzüberwachung, Störungserkennung und Systemvalidierung.
 
Überwachungsziele und Systemarchitektur
Hauptziel der Satellitenüberwachung ist die Aufrechterhaltung der Integrität der bidirektionalen Verbindungen zwischen Weltraum und Boden. Um dies zu gewährleisten, überprüfen sie die Uplink- und Downlink-Qualität, erfassen unbeabsichtigte oder böswillige Störungen und gewährleisten die Einhaltung von Vorschriften. Die drei Kernelemente oder –segmente ihrer Architektur sind: das Weltraumsegment (Satelliten mit Transpondern und Antennen, die in definierten Frequenzbändern arbeiten) das Bodensegment (Überwachungsstationen mit großen Antennen, HF-Frontends und Digitizern) und das Nutzersegment (Software und Hardware zur Analyse und Visualisierung der erfassten Daten).

Satellitendienste arbeiten in Frequenzbändern, die in bidirektionalen Systemen jeweils in Uplink- und Downlink-Subbänder unterteilt sind, um gegenseitige Störungen zu minimieren. Den Downlinks wird aufgrund der geringeren atmosphärischen Dämpfung in der Regel der untere Teil eines Bandes zugewiesen. Uplinks belegen die höheren Frequenzen, um höhere Datenraten zu unterstützen. Die Definitionen der Teilbänder variieren. Beispielsweise verwendet Galileo innerhalb des L-Bandes die Bezeichnung „E” anstelle des von anderen Satellitendiensten verwendeten „L”.
 
Aus der Pespektive der Überwachung macht diese Vielfalt die Frequenzplanung und die Abtaststrategie zu entscheidenden Faktoren. Mit der Abtastrate muss sichergestellt werden, dass das betreffende Signal eine einzige Nyquist-Zone belegt. Außerhalb des zugewiesenen Frequenzbandes liegende Komponenten werden durch analoge Filterung unterdrückt. Für die direkte Abtastung bedeutet das üblicherweise Mindestraten von etwa 2 GSPS für das L-Band, 4 GSPS für das S-Band und 8 GSPS für das C-Band – unter der Voraussetzung, dass geeignete Bandpassfilter verwendet werden.
 
Digitalisierung und Front-End-Signalerfassung
Moderne Überwachungsstationen nutzen Breitband-Digitizer, um analoge HF-Signale in digitale Datenströme umzuwandeln. Digitizer wie der ADQ35-WB von Teledyne SP Devices unterstützen die direkte Abtastung von L- und S-Band-Signalen ohne Frequenzmischung. Das verringert die  Komplexität des Systems und reduziert den Kalibrierungsaufwand. Mit einer Auflösung von 12 Bit und einer nutzbaren Eingangsbandbreite von bis zu 9 GHz ermöglichen solche Digitizer einen flexiblen Einsatz über mehrere Satellitenbänder hinweg. Externe rauscharme Verstärker und Anti-Aliasing-Filter gewährleisten eine hohe Signaltreue und verhindern eine Spektralumkehr während der Analog-Digital-Wandlung.

Die Wahl der Abtastrate wirkt sich direkt auf die Datenintegrität und die Effizienz der nachgelagerten Verarbeitung aus. Ein Beispiel: Die Abtastung des L-Bands mit 5 GSPS bringt das Signal vollständig in die erste Nyquist-Zone, während eine Abtastung des S-Bands mit 4 GSPS das Signal auf die zweite Nyquist-Zone mit ausreichenden Schutzbändern beschränkt. Schlecht ausgewählte Abtastraten hingegen können das Signal über Nyquist-Grenzen hinweg aufteilen. Das führt dann zu Aliasing.
 
FPGA-Vorverarbeitung und Datenreduktion
Die Rohdatenraten von Breitband-Digitizern können die praktischen Übertragungs- und Speichergrenzen überschreiten. Bei 10 Milliarden Abtastwerten pro Sekunde und zwei Bytes pro Abtastwert erzeugt ein einzelner Kanal etwa 20 GB/s. Dieses Volumen kann mit Hilfe der integrierten FPGA-Verarbeitung bewältigt werden. Sie reduziert die Datenraten vor der Übertragung über PCIe-Verbindungen.
 
Zwei Technologien sind für eine aussagefähige Satellitenüberwachung besonders relevant. Die Bitkomprimierung reduziert die Anzahl der Bits pro Sample und ermöglicht so ein kontinuierliches Streaming innerhalb der PCIe-Bandbreitenbeschränkungen. Die digitale Abwärtskonvertierung, die u.a. durch FPGA-basierte numerisch gesteuerte Oszillatoren und Filter implementiert wird, übersetzt ausgewählte HF-Kanäle in Basisband- oder Zwischenfrequenzen. Dies reduziert nicht nur die Datenraten, sondern verbessert auch das Signal-Rausch-Verhältnis durch Filterung und kohärente Verarbeitung.

Für Echtzeit- und Fast-Echtzeit-Analysen werden PCIe-basierte Architekturen bevorzugt. Dank der Peer-to-Peer-Datenübertragung können Digitizer Daten mithilfe von DMA direkt an GPUs streamen und dabei die Host-CPU und den Systemspeicher umgehen. Das verringert die Latenz und ermöglicht aggregierte Durchsätze, die die Grenzen von PCIe Gen5 erreichen und gleichzeitiges Streamen von mehreren Digitizern ermöglicht.
 
GPUs ergänzen die FPGA-Verarbeitung, indem sie rechenintensive, aber weniger latenzkritische Aufgaben wie Kanalisierung, Demodulation und langfristige statistische Analysen übernehmen. Zum Beispiel kann durch die Extraktion einzelner Galileo-Subbänder aus einer breitbandigen L-Band-Erfassung die Datenrate auf wenige Gigabyte pro Sekunde reduziert werden. Das liegt im Rahmen der Leistungsfähigkeit moderner GPUs.
 
Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung und Speicherstrategien
Wenn Langzeitaufzeichnungen erforderlich sind, kann die Speicherbandbreite zu einem limitierenden Faktor werden. RAID-Konfigurationen auf Basis von NVMe-SSDs, die über PCIe-Trägerplatinen verbunden sind, ermöglichen das parallele Schreiben auf mehrere Laufwerke. SSD-Laufwerke der Enterprise-Klasse bieten über lange Zeiträume hinweg konstante Schreibgeschwindigkeiten und ermöglichen so Gesamt-Aufzeichnungsraten von mehreren zehn Gigabyte pro Sekunde und Gesamtkapazitäten im Petabyte-Bereich pro Steckplatz. Laufwerke der Consumer-Klasse eignen sich für kürzere Aufzeichnungen, jedoch verschlechtert sich der Durchsatz, sobald die internen SLC-Caches erschöpft sind.

Durch die Kombination von Breitband-Digitalisierung, FPGA-basierter Vorverarbeitung, GPU-Beschleunigung und skalierbarem PCIe-Speicher kann der Anwender von modernen Satellitenüberwachungssystemen eine kosteneffiziente, flexible und präzise Überwachung erreichen – und damit eine stabile Satellitenkommunikation. Die Architektur ist zudem zukunftsgerichtet, weil sie sich weiterentwickelnde Anforderungen wie Multiband-Überwachung, Echtzeit-Interferenzerkennung und groß angelegte Datenerfassung unterstützt. Damit eignet sie sich somit sowohl für operative Überwachungsnetzwerke als auch für forschungsorientierte Messkampagnen.
 
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