Celeste hebt ab: So will Europa Galileo vor Jamming und Spoofing schützen
Navigationsdienste geraten zunehmend in den Fokus feindlicher Attacken. Europas Antwort: neue Technologien, die mit der Celeste-Mission erprobt werden sollen.
Die EU und die Esa wollen in Zukunft den Navigationsdienst Galileo durch Satelliten in einem erdnahen Orbit ergänzen. Das Konzept wollen sie mit der Celeste-Mission im Orbit erproben. Bild: Esa
Foto: Esa
Die europäische Weltraumagentur Esa will den europäischen Navigationsdienst Galileo durch Satelliten im erdnahen Orbit ergänzen. So sollen die hoch fliegenden Galileo-Satelliten robuster gegen Attacken und Störungen werden.
Europa rühmt sich damit, in Galileo den präzistesten Navigationsdienst zu betreiben. Vielleicht stimmt das, aber sicher nur, solange die EU die Satelliten und ihre Signale schützen kann. Mit Celeste will die Esa die nötigen Technologien im Orbit verifizieren.
Die ersten beiden Satelliten der Mission Celeste sollen am Mittwochmorgen (CET) an Bord einer Electron-Raketen von Neuseeland aus starten. Celeste soll in der finalen Ausbaustufe aus zwanzig Satelliten bestehen: Die Esa hat zwei verschiedene Konsortien mit dem Bau von je zehn Satelliten beauftragt. Insgesamt soll die Mission 200 Mio. € kosten; jedes Konsortium erhält annähernd 78 Mio. €.
Inhaltsverzeichnis
- Welchen Attacken sind Satelliten ausgesetzt?
- In welchen Orbits soll der neue Navigationsdienst fliegen?
- Was sind die Vorteile eines Multiorbit-Systems?
- Die Atomuhren sind das Kernstück der Galileo-Satelliten
- In welchen Frequenzen sendet Celeste?
- Mit welchen Schierigkeiten rechnet die Esa?
- Wie groß sind die LEO-Satelliten?
- Hat Europa die nötigen Frequenzen sicher?
- Bräuchte ein LEO-Navigationsdienst eine eigene Konstellation?
Welchen Attacken sind Satelliten ausgesetzt?
Als hauptsächliche Bedrohungen nennt die Esa Jamming und Spoofing. Beim Jamming versucht der Angreifer, das Satellitensignal durch ein starkes Störsignal zu überlagern. Beim Spoofing handelt es sich um den Versuch des Angreifers, sich als echter Satellit auszugeben – und somit falsche, in der Regel schädliche Signale als echte zu tarnen.
In welchen Orbits soll der neue Navigationsdienst fliegen?
Galileo fliegt im sogenannten MEO (medium earth orbit oder Mittlerer Orbit) in annähernd 23.200 km Bahnhöhe. Spätestens 2035 soll der Dienst durch eine Konstellation von 200 bis 300 Satelliten in einem erdnahen Orbit (LEO, low-earth orbit) ergänzt werden. Die Celeste-Satelliten werden sonnensynchrone Orbits mit 510 km und 560 km Bahnhöhe einnehmen. Sonnensynchron, das bedeutet: Die Sonneneinstrahlung ist stets die gleiche. So sind die Satelliten über ihre Solarpenele immer mit Energie versorgt.
Wichtig ist: Galileo wird auch weiterhin im MEO bleiben. Aktuell fehlen noch zwei Satelliten bis zur vollen Ausbaustufe der ersten Generation. Aktuell arbeiten die EU, die Esa und die Industrie an der zweiten Generation.
Was sind die Vorteile eines Multiorbit-Systems?
Vom MEO aus können die Galileo-Satelliten einen großen Teil der Erde überblicken. Allerdings benötigen die Satelliten viel Leistung, um ein ausreichend starkes Signal auszusenden; schließlich ist die Entfernung zum Empfänger groß. Satelliten im LEO sind dem Empfänger demgegenüber viel näher. „Wir benötigen weniger Leistung, um das gleiche zu erreichen“, sagt Jörg Hahn, der Galileo-Chefingenieur bei der Esa.
Die LEO-Satelliten bewegen sich auch relativ zur Erdoberfläche schneller – ein Pluspunkt bei Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen. Um die Position präzise zu bestimmen, sind sogenannte Konvergenz-Rechnungen nötig. Dafür werden mehrere Signale des Satelliten an leicht unterschiedlichen Bahnpositionen benötigt. LEO-Satelliten ändern ihre Position relativ zur Erde schneller, das beschleunigt die Konvergenz. „Wir haben die Stabilität des MEO für eine hohe Präzision und wir haben die Geschwindigkeit des LEO für eine schnelle Konvergenz“, sagt Miguel Manteiga Bautista, Programm-Manager für Galileo in der Esa. Bei Galileo liegen die Konvergenzzeiten bislang bei mehreren Minuten, zum Beispiel bei mindestens fünf Minuten für eine horizontale Genauigkeit von 20 cm. „In Zukunft wollen wir viel schneller sein“, sagt Manteiga Bautista.
Hinzu kommen Synergien zwischen den Satelliten der verschiedenen Orbits. Die LEO-Satelliten beispielsweise profitieren von den Galileo-Satelliten, weil sie ohne teure Uhren auskommen.
Die Atomuhren sind das Kernstück der Galileo-Satelliten
In der Satellitennavigation müssen die Satelliten extrem präzise Zeit- und Positionssignale aussenden – der Empfänger auf der Erde errechnet aus den Signalen mehrerer Satelliten seine eigene Position. Die LEO-Satelliten empfangen die Signale der Galileos und nutzen sie, um ihr eigenes Zeitsignal zu synchronisieren. „Für die ersten Celeste-Satelliten reicht eine einfache Quarz-Uhr vollkommen aus, sagt der Esa-Payload-Manager Marco Anghileri, dessen Team die Spazifikationen für die Satelliten geschrieben hat. Spätere Satelliten sollen sgenannte Chip-scale Atomic Clocks erhalten – Atomuhren, die auf einm Chip untergebracht werden können.
Die LEO-Satelliten nutzen die Galileo-Signale auch, um sich weitgehend selbstständig im Raum zu positionieren. „Das Bodensegment ist reduziert und damit kostengünstiger. Die Satelliten verfügen über mehr Autonomie“, sagt Anghileri.
In welchen Frequenzen sendet Celeste?
Eine der Neuerungen bei Celeste sind die Frequenzbänder. Das Galileo-System arbeitet mit Frequenzen, die allesamt im L-Band (1 GHz bis 2 GHz) liegen. Celeste soll zusätzlich das S-Band (2 GHz bis 4 GHz), das C-Band (4 GHz bis 8 GHz) und das UHF-Band (0,3 GHz bis 3 GHz) nutzen. Die UHF- und C-Bänder wurden laut Esa nie zuvor für die Navigation genutzt. Das indische System NavIC und das chinesische BeiDou nutzen bereits das S-Band.
Grundsätzlich gilt: Je größer die Frequenz, desto schwerer lässt sich das Signal jammen. „Frequenzen über dem C-Band stellen die Jammer vor Herausforderungen, weil sich die Signale in diesen Bändern schwerer ausbreiten: Die Signale der Jammer schwächen sich von selbst schneller ab“, erläutert Anghileri.
Ein Vorteil ist auch die schiere Vielfalt der Frequenzen. Wenn ein Angreifer eine Frequenz durch Jamming unbrauchbar macht, können die Empfänger die anderen in der Teorie noch immer nutzen.
Mit welchen Schierigkeiten rechnet die Esa?
Eine Komplikation ergibt sich im L-Band. In diesem empfangen die Celeste-Satelliten Galileo-Signale von oben, sie senden aber auch im selben Band nach unten. Die beiden Signale dürfen sich nicht gegenseitig stören, die Esa muss Interferenzen unbedingt vermeiden.
Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Erstens: Eine Widmung der Frequenzen. Die meisten Galileo-Empfangsgeräte nutzen die beiden öffentlichen Frequenzen. „Um Interferenzen zu vermeiden, können wir eine zum Empfangen und die andere zum Senden nutzen“, sagt Manteiga Bautista. Zweitens beinhaltet Celeste einen Technologiedemonstrator: Beide Signale sollen so prozessiert werden, dass sie nicht miteinander interferieren.
Bislang hat kein europäischer Satellit dieses Problem gelöst. International wäre es aber kein Premiere.
Auch für die Antennen ist Navigation aus dem LEO eine Herausforderung. „Jeder Celeste-Satellit muss eine Bandbreite von Winkeln abdecken, je nachdem, ob er sich aus Sicht des Empängers genau im Zenit oder eher am Horizont befindet. Das Signal legt deshalb unterschiedliche Entfernungen durch die Erdatmosphäre zurück. Bei extremen Winkeln muss die Antenne zur Kompensation stärkere Signale aussenden“, erläutert Ennio Guarina, Hauptabteilungsleiter für dir Navigationsprogramme Galileo und Egnos in der Esa.
Wie groß sind die LEO-Satelliten?
Eines der beiden ausgewählten Konsortien ist GMV/OHB. Das spanische Unternehmen GMV kümmert sich um das Bodensegment, OHB um die Satellitentechnik. Die ersten sechs Satelliten sollen 12U groß sein, in etwa so groß wie ein kleiner Koffer. 1U ist ein Stardardmaß bei kleinen würfelförmigen Cubesats und entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm. Die weiteren vier Satelliten sollen ein Gewicht von 100 kg haben.
Das anderen Satelliten liefert der Satellitenbauer Thales Alenia aus Frankreich. Dessen erste sechs Satelliten sind 16U groß. Die weiteren vier sollen 70 kg wiegen.
Auf die ersten beiden Demo-Satelliten folgen neun reguläre. Der elfte Satellit beinhaltet eine Nutzlast, mit der die Esa neue Atomuhren erproben will. Der zwöflte ist als Reserve eingeplant.
Hat Europa die nötigen Frequenzen sicher?
Indem Celeste jetzt startet, sichert sich Europa die Frequenzen. Eine Demonstrationsmission war unter diesem Aspekt nötig, eine große Konstellation käme zu spät. „Wir können nicht zehn Jahre lang herum-engineeren. Wir müssen hoch, um die Frequenzen zu sichern“, sagt der Galileo-Chefingenieur Hahn.
Ähnliche Eile ist demnach bei der Standardisierung der Empfangsgeräte geboten. „Wir müssen in Europa an der Front sein, um die Signale zu standardisieren – und hier vielleicht auch mit zu führen“, sagt Hahn
Bräuchte ein LEO-Navigationsdienst eine eigene Konstellation?
Hinter den Kulissen finden Diskussionen statt, ob sich einige der derzeit geplanten europäischen Satellitenkonstellationen kombinieren lassen, zum Beispiel auf der Konstellation Iris2 der EU-Kommission. Bei näherem Hinsehen sind die Anforderungen für die Navigation aber wenig kompatibel mit denen von Iris2. In der Satellitenkommunikation reicht es oft aus, wenn der Empänger Kontakt mit einem Satelliten hat. In der Navigation müssen es vier sein. „Um den bestmöglichen Navigationsdienst anbieten zu können, ist eine dedizierte LEO-Konstellation notwendig“, sagt der Payload-Manager Anghileri.
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