Ein Weg in die Zukunft der Landwirtschaft: Satellitenkommunikation
Die Landwirtschaft steht vor gewaltigen Herausforderungen angesichts des Klimawandels sowie der damit verbundenen Auswirkungen auf die Bewirtschaftung der landwirtschaftlichen Flächen. Die steigende Bevölkerungszahl und die dadurch wachsende Nachfrage nach gesunden Nahrungsmitteln verschärfen diese Problematik zusätzlich.
Um dieser Situation entgegenzuwirken, sind innovative, ressourcenschonende und nachhaltige Lösungen erforderlich. Eine vielversprechende Technologie, die hierbei eine entscheidende Rolle spielen kann, ist die Satellitenkommunikation.
Satellitenkommunikation spielt eine unverzichtbare Rolle in der modernen Landwirtschaft, indem sie ermöglicht, Daten auch in abgelegenen Gebieten ohne Kommunikationsinfrastruktur (Mobilfunk, lokale Netze) über große Entfernungen hinweg zu übertragen. Diese Technologie ist von entscheidender Bedeutung für die lokalen Messung von Umweltbedingungen (Mikroklima), die Optimierung der Bewässerung und die Vorhersage von Wetterbedingungen, was wiederum die Produktivität und Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Betriebe verbessert. Des Weiteren ermöglicht diese Kommunikation die Integration von Satellitennavigation in landwirtschaftliche Maschinen, dass die Gelegenheit für die Umsetzung des autonomen Fahrens (GPS-gesteuert) bietet. Das macht einen effizienterem Ressourceneinsatz sowie präziseren Anbau- und Ernteprozessen möglich und trägt so zu höheren Ernteerträgen und einer nachhaltigeren Produktion bei.
Abbildung 1: Modul für Satellitenkommunikation
Satellitenkommunikation ermöglicht die Übertragung von Daten und Signalen zwischen verschiedenen Punkten überall auf der Erde, einschließlich abgelegener und unzugänglicher Regionen. Die Kommunikation von Satelliten findet über verschiedene Frequenzbänder statt, die gebräuchlichsten hierunter sind das L-Band mit einem Frequenzbereich von 1 – 3 GHz, das C-Band (4-8 GHz), das Ku-Band (12-18 GHz) und das Ka-Band mit 26,5 – 40 GHz. Das Ka-Band bietet mehr Bandbreite und ermöglicht sehr hohe Datenraten und eine damit geringere Latenz. Dies wird vor allem für Dienste wie Hochgeschwindigkeits-Internet verwendet.
Die Wahl des Frequenzbandes hängt hierbei von der den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Kommunikation ab, wie zu den Beispielen der Bandbreiten, Signalstärken oder Störanfälligkeiten.
Des Weiteren gibt es verschiedene Arten von Kommunikationssatelliten, die für spezielle Anwendungen und Umlaufbahnen ausgelegt sind. Die weit entfernteste Erdumlaufbahn eines Satelliten ist die geostationäre oder geosynchrone Umlaufbahn. Die sogenannten geostationären Satelliten (GEO) befinden sich in der Höhe von 35.786 km über den Äquator und bewegen sich dabei synchron zur Erdrotation. Somit hervorragend geeignet für weltweite Kommunikationsnetze und Wetterbeobachtungen. Mittlere Erdumlaufbahn-Satelliten (MEO-Medium Earth Orbit) werden ebenfalls für Kommunikation eingesetzt. Da sich diese Satelliten in einer Höhe von 2.000 – 35.786 km befinden werden sie häufig auch für Navigationssysteme wie GPS verwendet. Niedrig Erdumlaufbahnen (LEO- Low Earth Orbit) befinden sich in 160 - 2.000 km Höhe und sind besonders nützlich für mobile und breitbandige Internetdienste, da sie eine geringere Latenzzeit bieten.
Die Satellitenkommunikation erweist sich in vielen Bereichen der modernen Welt als unentbehrlich und bietet gleichzeitig eine Chance für innovative Anwendungen.
Ein herausragendes Beispiel für die Anwendung von Satellitenkommunikation ist beispielsweise Starlink von SpaceX. Dieses Netzwerk von Satelliten ermöglicht selbst in entlegenen Gebieten einen zuverlässigen Internetzugang, was den Landwirten den Zugang zu wichtigen Informationen und Ressourcen erleichtert.
Von solchen Technologien kann die Landwirtschaft enorm provierten. Satelliten bieten präzise Wettervorhersagen, die Landwirten helfen, Pflanz- und Erntezeiten besser zu planen und sich auf extreme Wetterbedingungen vorzubereiten, um Ernteschäden zu minimieren. Durch präzise Informationen z.B. durch Mikroklimasensoren, kann auch die Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen optimiert werden. Eine optimal angepasste Wasserversorgung ist vorteilhaft für das Wachstum und den Gesundheitszustand der Pflanzen. Ein nützlicher Nebeneffekt dabei ist, dass die Ressource Wasser nachhaltig eingesetzt werden kann. Zudem können die erfassten Daten der Bodenfeuchte präzise Informationen auf den Gesundheitszustand der Pflanzen geben. Durch eine rechtzeitige Früherkennung von Schädlingsbefall oder Krankheitsausbrüchen bei Pflanzen, wird einen gezielter und rechtzeitiger Eingriff ermöglicht.
Trotz ihrer zahlreichen Vorteile ist Satellitenkommunikation oft noch zu kostspielig, dass insbesondere für kleinere Betriebe eine Herausforderung darstellen kann.
Im Rahmen von FarmerSpace experimentieren wir mit der Swarm-Satellitenkommunikation.
Swarm ist eine Satellitenkommunikationsnetzwerk, bei dem viele ultrakleine Satelliten zusammenarbeiten, um eine hohe Abdeckung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Diese Technologie bietet neue Möglichkeiten, die Kosten zu senken und die Flexibilität der Satellitenkommunikation zu erhöhen, was ihre Anwendung in verschiedensten Sektoren weiter vorantreiben könnte.
In den Abbildungen ist die vom Fraunhofer entwickelte Hardware zu sehen, mit der es möglich ist, verschiedenste Sensordaten aufzunehmen, ggf. auszuwerten sowie über Swarm-Satelliten-Netzwerk zu versenden. In die Hardware können noch weitere Funk-Kommunikationsmodule integriert werden, um so die Flexibilität weiter zu erhöhen.
Zusatz
Abbildung 2: Kommunikation-Gateway für das Swarm-Satellitennetzwerk
Weitere Möglichkeiten sind die Kombination aus verschiedenen Kommunikationstechniken, z.B. LoRaWAN und Satellitenkommunikation. Dies ermöglicht kosteneffiziente, zuverlässige IoT-Lösungen in abgelegenen Gebieten. Während LoRaWAN eine weite Abdeckung und einen niedrigen Energieverbrauch bietet, sichern Satelliten eine globale Reichweite und Zuverlässigkeit. Gemeinsam bieten sie erweiterte Abdeckung, Kosteneffizienz und hohe Zuverlässigkeit. Anwendungen umfassen Umweltüberwachung, Landwirtschaft, Logistik und Katastrophenhilfe, wodurch die Effizienz und Zuverlässigkeit der Datenübertragung verbessert werden. Mit dem zunehmenden Markt und der wachsenden Anzahl von Herstellern, die ähnliche Technologien entwickeln, wird diese Verbindung immer robuster und bietet noch innovativere Lösungen.
Autoren:
André Weiskopf (Fraunhofer IOSB-AST)
Nadine Knechtel (Fraunhofer IOSB-AST)
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Kontakt - Nadine Knechtel: nadine.knechtel@iosb-ast.fraunhofer.de