With the miniaturization of satellites a fundamental change took place in the space industry. Instead of single big monolithic satellites nowadays more and more systems are envisaged consisting of a number of small satellites to form cooperating systems in space. The lower costs for development and launch as well as the spatial distribution of these systems enable the implementation of new scientific missions and commercial services.
With this paradigm shift new challenges constantly emerge for satellite developers, particularly in the area of wireless communication systems and network protocols.
Satellites in low Earth orbits and ground stations form dynamic space-terrestrial networks. The characteristics of these networks differ fundamentally from those of other networks.
The resulting challenges with regard to communication system design, system analysis, packet forwarding, routing and medium access control as well as challenges concerning the reliability and efficiency of wireless communication links are addressed in this thesis.
The physical modeling of space-terrestrial networks is addressed by analyzing existing satellite systems and communication devices, by evaluating measurements and by implementing a simulator for space-terrestrial networks.
The resulting system and channel models were used as a basis for the prediction of the dynamic network topologies, link properties and channel interference. These predictions allowed for the implementation of efficient routing and medium access control schemes for space-terrestrial networks. Further, the implementation and utilization of software-defined ground stations is addressed, and a data upload scheme for the operation of small satellite formations is presented. / Mit der Miniaturisierung von Satelliten hat eine fundamentale Änderung in der Raumfahrtindustrie stattgefunden. Anstelle von einzelnen, großen, monolithischen Satelliten werden heutzutage immer mehr Systeme entworfen die aus mehreren Kleinstsatelliten bestehen die kooperativ zusammenarbeiten. Die geringeren Kosten für Entwicklung und Start sowie die räumliche Verteilung dieser Satellitensysteme ermöglichen die Realisierung neuer wissenschaftlicher Missionen und kommerzieller Dienstleistungen. Durch diesen Paradigmenwechsel entstehen neue Herausforderungen für Ingenieure, insbesondere in den Bereichen Funkkommunikation und Netzwerkprotokolle. Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen und Bodenstationen bilden sogenannte Satelliten-terrestrische Netzwerke. Die Eigenschaften dieser Netzwerke unterscheiden sich wesentlich von denen anderer Netzwerke. Die resultierenden Herausforderungen in den Bereichen Systemdesign, Systemanalyse, Paketvermittlung, Routing und Medienzugriffskontrolle, sowie Herausforderungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Effizienz der Funkkommunikation werden in dieser Dissertation behandelt. Die physikalische Modellierung von Satelliten-terrestrischen Netzwerken wird behandelt durch die Analyse von existierenden Satelliten- und Funkkommunikationssystemen, durch die Nutzung von Messungen an einer Bodenstation und einem Satelliten und durch die Implementierung eines Simulators für Satelliten-terrestrische Netzwerke. Die resultierenden System- und Kanalmodelle wurden als Basis für die Prädiktion der dynamischen Netzwerktopologien, Verbindungseigenschaften und Kanalinterferenzen genutzt. Diese Prädiktionen haben die Implementierung effizienter Verfahren für Routing und Medienzugriffskontrolle in Satelliten-terrestrischen Netzwerken ermöglicht. Darüber hinaus wird die Implementierung und Nutzung von Bodenstationen auf Basis von digitaler Signalverarbeitung behandelt und ein Datenübertragungsverfahren für den Betrieb von Kleinstsatellitenformationen beschrieben und evaluiert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:28052 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Freimann, Andreas |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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