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An All-Sky Imaging Framework for Cloud-Free Line-of-Sight Assessment in Free-Space Optical Satellite Downlinks

Matteschk, Paul und Aragon, Max und Gomez, Jose und Ribel, Helmut und Knopp, Marcus Thomas und Blum, Niklas und Nouri, Bijan (2026) An All-Sky Imaging Framework for Cloud-Free Line-of-Sight Assessment in Free-Space Optical Satellite Downlinks. Photonics, 13 (6), Seite 515. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/photonics13060515. ISSN 2304-6732.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
45MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.3390/photonics13060515

Kurzfassung

Free-space optical (FSO) downlinks from satellites enable high data rates but are highly sensitive to cloud-induced attenuation and blockage. We present an integrated all-sky imaging framework for optical ground stations that converts station-local sky observations into direction- and lead-time-dependent cloud-free line-of-sight (CFLOS) decision support along predicted satellite links. The framework combines geometric calibration of hemispheric imagery, two-line element (TLE)-based orbit propagation, stereographic remapping into a common processing domain, short-horizon autoregressive sky-frame prediction using a diffusion-based sequence model, cloud/no-cloud segmentation, and a corridor-based CFLOS decision rule along the projected satellite path. The contribution lies in the operational integration of these components into a unified CFLOS-oriented sensing, prediction, and evaluation chain for optical downlink support. The framework is demonstrated at the German Aerospace Center (DLR) optical ground-station site in Trauen and evaluated using a geometry-controlled reference-track protocol across image sequences acquired at 15 s, 30 s, and 45 s cadence. Under this protocol, nowcasting-based CFLOS decisions outperformed a constant-persistence baseline across all evaluated lead times. At a 90 s lead time, the method achieved an F1-score of 0.857 and a balanced accuracy of 0.865, corresponding to gains of +0.083 and +0.089 over persistence, respectively. Positive performance margins are maintained across the full evaluated range up to a 450 s lead time. These results show that all-sky image sequences can be translated into physically interpretable CFLOS decision support and provide a basis for future network-level site-selection and handover strategies.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/224677/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:An All-Sky Imaging Framework for Cloud-Free Line-of-Sight Assessment in Free-Space Optical Satellite Downlinks
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Matteschk, PaulNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-8460-0246NICHT SPEZIFIZIERT
Aragon, MaxNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-7447-9657NICHT SPEZIFIZIERT
Gomez, JoseNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0009-0000-6537-0094NICHT SPEZIFIZIERT
Ribel, Helmuthelmut.ribel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0009-7863-9676216331899
Knopp, Marcus ThomasMarcus.Knopp (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6819-6279216331900
Blum, NiklasNiklas.Blum (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1541-7234NICHT SPEZIFIZIERT
Nouri, BijanBijan.Nouri (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9891-1974NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:25 Mai 2026
Erschienen in:Photonics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:13
DOI:10.3390/photonics13060515
Seitenbereich:Seite 515
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
Name der Reihe:Advances in Free-Space Optical Communications
ISSN:2304-6732
Status:veröffentlicht
Stichwörter:free-space optical communication; optical ground stations; all-sky imaging; cloud nowcasting; cloud-free line-of-sight
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:keine Zuordnung
DLR - Forschungsgebiet:keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):keine Zuordnung
Standort: Trauen
Institute & Einrichtungen:Kompetenzzentrum für Reaktionsschnelle Satellitenverbringung > Bodensegment
Institut für Solarforschung > Qualifizierung
Hinterlegt von: Ribel, Helmut
Hinterlegt am:01 Jun 2026 08:19
Letzte Änderung:01 Jun 2026 08:19

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