In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Miniaturisierung den Bau kleiner Satelliten mit Gesamtmassen von 1kg und weniger ermöglicht. Währenddessen hat die Standardisierung von Bauteilen, Schnittstellen und Entwurfsplattformen die Entwicklungskosten für Kleinstsatelliten reduziert. Diese Tendenz hat dazu geführt, dass Satelliten-Missionen mit Formationen mehrerer kleiner Satelliten anstatt einem größeren Satelliten auch kostentechnisch für Organisationen wie Universitäten umsetzbar sind. Der Ansatz, Formationen von Kleinstsatelliten zu verwenden, bringt nicht nur neue Möglichkeiten für Erdbeobachtungsmissionen mit sich, sondern erzeugt auch neue Herausforderungen für die Kommunikationssysteme: Das Problem des Medienzugriffs wird durch eine Vielzahl von Knoten mit großen Distanzen und daher großen Signallaufzeiten verkompliziert; die auf mehrere Satelliten verteilt aufgenommenen Erdbeobachtungsdaten müssen über, möglicherweise unterschiedliche, Funkverbindungen und mehrere Hops zusammengetragen werden. Dabei kann das kooperative Sammeln von Messdaten durch mehrere Satelliten dazu führen, dass Redundanzen in den Rohdaten und damit in den Nutzdaten entstehen, die per Funk übertragen werden müssen; dies kann ausgenutzt werden, um die Effizienz dieser Übertragungen zu steigern. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Entwurfsansätzen für Kommunikationsprotokolle für erdbeobachtende Kleinstsatellitenformationen. Dabei decken wir verschiedene Netzwerkschichten ab, vom Medienzugriff, über Netzwerk und Transport, bis hin zu Komprimierung von Nutzdaten.

Der Einsatz von Funksystemen für den automatisierten Austausch von Navigationsdaten ist heutzutage für die Hochseeschifffahrt verbindlich vorgeschrieben. Sie sind ein gutes Beispiel für die Möglichkeit, Nutzdaten terrestrischer drahtloser Sensornetze im Erdorbit zu empfangen. Wir zeigen, wie sowohl die rein terrestrische Effektivität von automatisiertem Navigationsdatenfunk als auch der satellitengestützte Empfang der zugehörigen Funknachrichten zur globalen Seeverkehrsüberwachung durch ein geeignetes, maßgeschneidertes Medienzugriffsverfahren verbessert werden kann.

Was höhere Netzwerkschichten angeht, beschäftigt sich diese Arbeit mit modernen Kodierungstechniken wie verteilte Quellenkodierung und Netzwerkkodierung. Obwohl diese Verfahren derzeit in terrestrischen Allzweckkommunikationsnetzen wie dem Internet nur wenig Verwendung finden, können sie genutzt werden, um die angesprochenen Kommunikationsredundanzen auszunutzen. Für Anwendungsszenarien mit unterschiedlichen Nutzdatentypen und Netzwerktopologien zeigen wir, wie jedes einzelne davon von speziell darauf abgestimmten Kommunikationsverfahren profitieren kann. So stellen wir fest, dass sich Netzwerkkodierung gut für over-the-air programming, also die Übertragung einzelner großer Dateien von einer Bodenstation an eine Vielzahl von Satelliten, eignet. Um die gängigen Netzwerkkodierungsverfahren auf dieses Problem anwenden zu können, haben wir einen neuen Dekodieralgorithmus entworfen, mit Hilfe dessen sich durch bessere Rückmeldungsinformationen einfachere Protokolle konstruieren lassen.

Messen verschiedene Satelliten die selbe Art von Daten, beispielsweise das Erdmagnetfeld, in ähnlichen Erdorbits, dann sind die Rohdaten oft zu einem gewissen Grad korreliert. Für diesen Anwendungsfall demonstrieren wir, wie sich verteilte Quellenkodierung einsetzen lässt, um die verfügbaren Kanalressourcen effizienter zu nutzen.

Als gemeinsames Fazit all dieser Unterthemen stellen wir fest, dass es im Bereich der Kommunikation in erdbeobachtenden Kleinstsatellitennetzen etliche unterschiedliche Arten von Informationsredundanz zwischen den Satelliten gibt. Nutzt man diese mittels je nach Anwendungsfall maßgeschneiderten Verfahren aus, lassen sich die jeweiligen etablieren Lösungen in Sachen Robustheit und/oder Effizient deutlich übertreffen.