Deep Space Network

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Internetbanner des Deep Space Network
DSN-Antennenanlage von Madrid

Das Deep Space Network (DSN) ist ein weltumspannendes Netz von Parabolantennen, die zur Kommunikation mit vorwiegend interplanetaren Raumsonden und Satelliten sowie radio- und radarastronomischen Forschungszwecken dienen.

DSN ist Teil eines größeren Netzwerks und nutzt die Möglichkeiten des erdgebundenen Kommunikationsnetzes, das von NASA Integrated Services Network (NISN) bereitgestellt wird. Das NISN ermöglicht den Austausch von Daten in hoher Geschwindigkeit mit den beiden anderen Netzwerken und den Missionen. Die anderen beiden Netze sind das Space Network, das mit geostationären Relais-Satelliten (TDRS) als Empfängern arbeitet, die ihre Daten an Bodenstationen z. B. an Guam Remote Ground Terminal (GRGT) weiterleiten und das Near Earth Network, das mit vielen kleinen und mittleren Antennen die Kommunikation mit Missionen während der Startphase in erdnahen Umlaufbahnen und mit erdnahen Satelliten ermöglicht. In diesem Netz sind auch Antennen von kommerziellen Satellitenbetreibern und anderen Weltraumagenturen eingebunden.

Stationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Deep Space Network (Welt)
Goldstone
Goldstone
Madrid
Madrid
Canberra
Canberra
Standorte des Deep Space Network
Die überlappenden Beobachtungsbereiche der Stationen

Das Jet Propulsion Laboratory betreibt für die US-amerikanische Raumfahrtbehörde NASA derzeit drei große Stationen:

Anfangs gab es noch zwei weitere große Stationen mit 26-m-Antennen:

Zusätzlich kann das DSN noch während der Startphase auf dem Kennedy Space Center auf die Fähigkeiten der Launch Support Facility (MIL-71) in Florida zugreifen.

Alle drei heutigen Anlagen befinden sich in hügeligem, schalenförmigem Gelände, um Störungen durch terrestrische Radiofrequenzen zu minimieren. Die strategische Platzierung ermöglicht trotz der Erdrotation die konstante Überwachung von Raumfahrzeugen, denn die Stationen sind jeweils rund 120° oder ein Drittel des Erdumfangs voneinander entfernt. Noch bevor ein Objekt hinter dem Horizont verschwindet, kann die nächste Anlage die Kommunikation fortsetzen.

Die ersten großen Aufgaben für die Deep-Space-Stationen der NASA bestanden in der Kommunikation mit interplanetaren Raumsonden wie des Mariner- und Pioneer-Programms sowie mit Voyager 1 und Voyager 2.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Vorläufer des Deep Space Network (DSN) wurde im Januar 1958 gegründet, als das Jet Propulsion Laboratory (JPL), damals noch unter Vertrag der U.S. Army, mobile Funkverfolgungsbodenstationen in Nigeria, Singapur und Kalifornien einsetzte, um Telemetriedaten des von der Army gestarteten Explorer 1, dem ersten erfolgreichen Satelliten der Vereinigten Staaten, zu empfangen und dessen Flugbahn zu verfolgen.[2] Die NASA wurde offiziell am 1. Oktober 1958 gegründet, um die sich unterschiedlich entwickelnden Weltraumprogramme der U.S. Army, der U.S. Navy und der U.S. Air Force in einer zivilen Organisation zusammenzuführen.

Am 3. Dezember 1958 wurde das JPL von der U.S. Army an die NASA transferiert und erhielt die Verantwortung für den Entwurf und die Umsetzung von Mond- und Planetenerforschungsprogrammen mit ferngesteuerten Raumfahrzeugen. Kurz darauf führte die NASA das Deep Space Network als ein separat verwaltetes und betriebenes Kommunikationssystem ein, das allen Deep-Space-Missionen zur Verfügung stehen würde. Dadurch wurde vermieden, dass für jedes Weltraumprojekt ein eigenes, spezialisiertes Weltraum-Kommunikationsnetzwerk errichtet und betrieben werden musste. Das DSN war eigenverantwortlich für Forschung, Entwicklung und Betrieb, um all seine Benutzer gleichermaßen zu unterstützen. Unter diesem Konzept wurde es weltweit führend in der Entwicklung von rauscharmen Empfängern, großen Parabolantennen, Funkverfolgungs-, Telemetrie- und Kommandosystemen, digitaler Signalverarbeitung und von Deep-Space-Navigation.

Das Manned Space Flight Network (MSFN)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Den Anfang bildete ein Netzwerk von 26-m-Antennen, die ursprünglich noch an mehr Stellen unterhalten wurden. Das Manned Space Flight Network (MSFN) war ein weltumspannendes Antennennetz, das speziell für den bemannten Raumflug der Mercury-, Gemini-, Apollo- und Skylab-Programme gebraucht wurde. Es benötigte viele Antennen rund um den Globus und wurde aufgebaut, um ständigen Kontakt ohne Unterbrechungen zu Astronauten und Raumschiffen in erdnahen Umlaufbahnen unterhalten zu können. Objekte in niedrigen Umlaufbahnen bewegen sich schnell, daher mussten die Antennen Fähigkeiten für schnelles Tracking haben und waren deswegen auch in der Größe beschränkt. Darunter waren:

  • NRAO 85-1 Howard E. Tatel Radio Telescope in Green Bank, West Virginia seit 1958. Diese 26-Meter-Antenne wurde später zum Green Bank Interferometer umgebaut.
  • Michigan Radio Astronomy Observatory (UMRAO) in Michigan.
  • DSIF 51 / DSS 51 in Hartebeesthoek, Südafrika, in der Nähe von Johannesburg. 1961 gebaut und 1964 umgebaut für L-Band und S-Band Betrieb. Bei der NASA 1974 außer Dienst genommen, wurde das Teleskop übergeben an das South African Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) das es für die NASA weiterbetrieb und es zum Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory (HartRAO) machte.[3]
  • 1960 wurde in Australien die DSS41 in Woomera gebaut, 1964 wurde sie umgebaut für L- und S-Band und 1972 geschlossen und abgebaut.

Ausbau für das Apollo-Programm[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Apollo-Missionen benötigten zusätzliche Antennen. Während des Mondaufenthalts wurde eine Antenne für die Kommunikation mit der Mondlandefähre und eine andere für das Kommandomodul gebraucht, zusätzlicher Bedarf entstand durch die Übertragung von Fernsehbildern von der Mondoberfläche, außerdem sollten noch redundante Antennen für den Fall eines Ausfalls vorhanden sein. Daher wurden zusätzliche Antennen des MSFN in den Komplexen des DSN von Goldstone, Madrid und Canberra aufgebaut. Ein Großteil der Kommunikation lief über das MSFN, das DSN stellte zusätzliche Kapazitäten für die kurze Zeit der Mondaufenthalte sowie Redundanz zur Verfügung. 1966 kam die erste 64-m-Antenne in Goldstone für die Notfallkommunikation, 1973 bekamen Madrid und Canberra eigene 64-m-Antennen hinzu.

Ausbau für die Voyager-Missionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Missionen gingen immer weiter hinaus in den Bereich der äußeren Planeten, so dass leistungsfähigere Antennen notwendig wurden. Die benötigten Kapazitäten für Voyager 2 im Bereich des Uranus konnten mit den vorhandenen 64- und 26-m-Antennen nicht mehr bewältigt werden, daher wurden in den 1980er und 1990er Jahren zusätzliche 34-m-Antennen gebaut, bestehende 26-m-Antennen wurden zu 34-m-Antennen erweitert oder ersetzt. Als Voyager 2 zu Neptun kam, reichten auch die Fähigkeiten der 64-m-Antennen nicht mehr aus, so dass sie auf 70-m-Antennen erweitert werden mussten. Durch Zusammenschaltung vieler Antennen, darunter auch Antennen, die nicht zum DSN gehören, konnte die erforderliche Datenrate erreicht werden.

Auf die größten Antennen des DSN wird gelegentlich in Notsituationen von Raumfahrzeugen zurückgegriffen. Fast alle Raumfahrzeuge sind so entworfen, dass im Normalbetrieb die kleineren (und ökonomischeren) Antennen des DSN verwendet werden. Doch im Notfall sind die größten Antennen von entscheidender Bedeutung. Das liegt daran, dass ein in Schwierigkeiten geratenes Raumfahrzeug gezwungen sein könnte, weniger Übertragungsleistung zu benutzen, oder dass Probleme bei der Lageregelung die Benutzung von Antennen mit hohem Antennengewinn verhindern könnten. Weiterhin ist es wichtig, Telemetriedaten möglichst vollständig zu empfangen, um den Zustand des Raumfahrzeugs feststellen zu können und die Rettung zu planen. Das berühmteste Beispiel war die Apollo-13-Mission, bei der durch eingeschränkte Batterieleistung und die Unbenutzbarkeit der Antennen mit hohem Antennengewinn die Funksignale so schwach waren, dass sie vom Manned Space Flight Network nicht mehr empfangen werden konnten. Die Benutzung der größten DSN-Antennen (und des Radioteleskops des australischen Parkes-Observatoriums) waren entscheidend bei der Rettung der Astronauten. Auch wenn es sich bei Apollo 13 um eine amerikanische Mission handelte, bietet das DSN diese Notfalldienste im Geiste der internationalen Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Raumfahrtbehörden auch anderen Raumfahrtbehörden an.

Stand 2018[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Inzwischen sind alle 26-m-Antennen durch 34-m-Antennen ersetzt worden. Jede Station hat mindestens drei 34-m- und eine 70-m-Antenne, der Komplex von Goldstone verfügt sogar über vier 34-m-Antennen zum ständigen Einsatz, sowie weitere Antennen, die zusätzlich eingesetzt werden können.

Die 70-m-Antenne des Goldstone Komplexes ist außerdem mit sehr starken Sendern ausgestattet. Diese Fähigkeit macht die Antenne zu einem leistungsfähigen Radargerät, das hochaufgelöste Radarbilder von Asteroiden und anderen Himmelskörpern des Sonnensystems ermöglicht. Ein starkes Signal wird mit der 70- Meter Antenne in Richtung des Himmelskörpers gesendet und große Radioteleskope z. B. des DSN, von Green Bank und Arecibo fangen die Reflektionen auf. Aus den Daten lassen sich dann Radarbilder generieren und die Entfernung und präzise Bahndaten berechnen.

Alle drei Komplexe verfügen über eine netzunabhängige unterbrechungsfreie Notstromversorgung mit Batterien und Dieselgeneratoren. Die Batterien halten bei einem Stromausfall die Geräte solange in Betrieb, bis die Dieselgeneratoren angefahren sind. Dieselmotoren sind geeignet, weil sie keine Zündkerzen haben und somit keine elektromagnetischen Störungen verursachen. Mit zur Aufgabe des DSN gehört die elektronische Verarbeitung von großen Datenmengen sowie die Speicherung und Archivierung aller Daten für zukünftige wissenschaftliche Auswertung. Es gibt außerdem ein Backup für das Kontrollsystem, falls Goldstone oder eines der anderen Kontrollzentren aus irgendeinem Grund ausfällt. Alle drei Stationen verfügen über Delta-DOR Technologie. Falls mehrere Raumfahrzeuge am Himmel eng beieinander sind und im gleichen Frequenzbereich aber mit leicht unterschiedlichen Frequenzen senden, können von einer Antenne bis zu vier verschiedene Signale gleichzeitig empfangen und verarbeitet werden.

In der Vergangenheit wurde das DSN wurde die Koordination der Beobachtungszeiten und Sende- und Empfangskapazitäten rund um die Uhr zentral gesteuert vom Goldstone-Komplex in Kalifornien. Jedes der drei Zentren hat eigenes technisches und wissenschaftliches Personal für Betrieb und Unterhalt und so kam man zu der Entscheidung, dass die Kontrolle regelmäßig zwischen den drei Komplexen wechselt, so dass jede Station tagsüber für acht Stunden die Kontrolle hat und sie dann weitergibt an die nächste Station. Auf diese Weise konnte der Dreischicht-Betrieb in Goldstone zum größten Teil entfallen und das vorhandene Personal konnte effektiver arbeiten, dabei wurden die Arbeitsbedingungen verbessert und zugleich die Personalkosten reduziert.

Bei vielen Missionen arbeitet DSN seit langem eng mit dem ESTRACK-Netzwerk der ESA zusammen und 2007 unterzeichnete man ein Abkommen zur gegenseitigen Unterstützung.[4] Die drei 34-Meter ESTRACK-Antennen sind in einigen Fällen günstiger positioniert als die des DSN, außerdem gibt es Fälle, in denen besonders viele Daten anfallen oder viele Objekte gleichzeitig beobachtet werden müssen. Alle Anlagen entsprechen den Bestimmungen des CCSDS, damit ist ein Datenaustausch und die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Netzwerken möglich. Fallweise arbeitet das DSN auch mit anderen Weltraumagenturen und deren Deep-Space-Antennennetzwerken zusammen z. B. mit den Anlagen von JAXA in Usuda und den Anlagen der ISRO in Byalalu.

Künftiger Ausbau und Laserkommunikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der allgemeine technische Fortschritt in der Raumfahrt bringt immer bessere Technik mit sich, z. B. höher aufgelöste Kameras, aber damit auch immer mehr Daten und Kommunikationsbedarf. Die transportierten Datenmengen verdoppeln sich ungefähr alle zehn Jahre.

Das DSN wird derzeit für den kommenden Kommunikationsbedarf weiter ausgebaut. In Zukunft sollen alle drei Stationen neben einer 70-Meter Antenne mindestens vier moderne 34-Meter-Beam-Wave-Guide-Antennen haben. Für den Fall eines Ausfalls der 70-Meter-Antenne können diese Antennen kombiniert werden und im Downlink die große Antenne mit mindestens gleicher Leistung ersetzen. Die bestehenden Anlagen bekommen zusätzliche Empfänger für zusätzliche und höhere Frequenzbänder, außerdem bekommt mindestens eine der kleineren Antennen einen stärkeren 80 kW-Sender. Im Goldstone-Komplex wird eine der 34-Meter-Schüsseln im zentralen Bereich im Durchmesser von 8 Metern mit Spiegeln und einem Empfänger im optischen Bereich versehen, um Empfangsmöglichkeiten für Kommunikation mit Laser zu schaffen. Zuerst wird die Technologie getestet, und nach der Testphase voraussichtlich in Goldstone implementiert. Lasertechnologie ermöglicht viel höhere Datenraten, ist dafür aber leichter vom Wetter beeinflusst.

Aufgaben[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das DSN hat zwei verschiedene Aufgabenbereiche. Der erste und wichtigste ist die Unterstützung von Raumfahrtprogrammen, der zweite ist wissenschaftliche Forschung. Der Schwerpunkt liegt auf der Raumfahrt, wissenschaftliche Forschung kann betrieben werden, solange Kapazitäten übrig sind.

Die Primäraufgaben des Raumfahrtprogramms sind Telemetrie, Tracking, Control und Monitor

  • Telemetrie: Das DSN hat die Möglichkeit, Telemetriedaten von Raumsonden und Objekten in der Erdumlaufbahn zu erhalten, zu berechnen und zu entschlüsseln sowie an die entsprechenden Stellen zu verteilen. Telemetriedaten bestehen aus wissenschaftlichen und betriebsbedingten Daten, die Radiosignalen aufmoduliert sind, die vom Raumschiff gesendet werden. Das Telemetriesystem kann diese Daten empfangen und aufbereiten, sie an die einzelnen Projekte weiterleiten und kann überprüfen, ob die gewonnenen Daten fehlerfrei sind.
  • Radiometrische Verfolgung (Tracking): Das Radioverfolgungssystem ermöglicht die gegenseitige Kommunikation zwischen Bodenstation und Raumfahrzeug. Es kann damit die Position, die Geschwindigkeit und die Richtung bestimmt werden.
  • Befehlsübermittlung: Das DSN sorgt dafür, dass die Projekte zur gegebenen Zeit Befehle und Kursdaten an das Raumfahrzeug übermitteln können. Das DSN arbeitet dabei als Vermittler zwischen den Projekten und ihrem Objekt. In vielen Fällen können die Kommunikationszeiten und die dabei übermittelten Daten im Voraus geplant werden und ohne direkte Beteiligung der Projekte abgewickelt werden.
  • Überwachung und Kontrolle: Aufgabe des Control- und Monitor Systems ist die Weiterleitung der gewonnenen Daten an die Projekte in Echtzeit. Außerdem wird damit die Funktion und der Betrieb des DSN-Netzwerks aufrechterhalten und überwacht.

Es gibt vielfältige wissenschaftliche Aufgaben, die häufig zusammen mit anderen Radioteleskopen geleistet werden können.

  • Wissenschaftliche Antennenforschung: Außer zu Kommunikationsaufgaben kann das DSN auch zur Weltraumforschung und Entwicklung eingesetzt werden. Die Möglichkeiten können dabei von allen qualifizierten Wissenschaftlern genutzt werden, solange die Raumfahrtprogramme dadurch nicht beeinträchtigt werden. Es wird dabei mit Observatorien der NASA und nicht-NASA zusammengearbeitet. Das DSN unterhält und verbessert laufend die wissenschaftlichen Möglichkeiten und übernimmt Neuerungen, so dass nicht nur die gegenwärtigen Beobachtungen und Experimente unterstützt werden, sondern auch zukünftige wissenschaftliche Herausforderungen. Ältere Anlagen werden weitergenutzt zu Test- und Schulungszwecken.
  • Interferometrie: die genaue Vermessung der Positionen von Radioquellen. Das schließt Astrometrie, Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Connected Element Interferometrie, Interferometrie-Arrays und Orbiting Interferometrie sowie Messungen der Standpunkte der Stationen und der Erdorientierung für die Erderforschung ein.
  • Radiowissenschaft: Erkenntnisse über das Sonnensystem und die allgemeine Relativitätslehre durch Experimente mit Radiowellen zwischen Raumschiffen und dem DSN. Damit konnten z. B. Atmosphäre, Ionosphäre, Planetenoberflächen, Planetenringe, die Sonnenkorona, interplanetares Plasma und die Masse von Planeten, Monden und Asteroiden bestimmt werden.
  • Radio- und Radarastronomie: Ermittlung von Informationen durch Signale, die von natürlichen Himmelsobjekten ausgehen oder reflektiert werden.
  • Erdposition: Ermittlung der Standorte der Radiostationen und der Erdorientierung.
  • Himmelsbeobachtung: Identifikation und Aufzeichnung von Radioquellen zur Erstellung eines Referenzrahmens. Das schließt Radiometrie, Polarimetrie, Spektroskopie und erweiterte Spektralanalyse ein. Das DSN unterhält ein Unternetzwerk von 11-Meter-Antennen, die zur Unterstützung von zwei Very-Long-Baseline-Interferometrie-Satelliten dienen. Beide Satelliten sollen dabei helfen, hoch aufgelöste Karten von natürlichen Radioquellen zu erstellen und dabei die Möglichkeiten von VLBI zu nutzen.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Deep Space Network – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. History of Deep Space Station 51 at Hartbeesthoek. Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory, 16. Oktober 2010, abgerufen am 3. September 2012 (englisch).
  2. Mudgway, Douglas J.: Uplink-Downlink: A History of the Deep Space Network, 1957–1997 (NASA SP-2001-4227) (PDF-Datei; englisch; 172 kB), Seite 5
  3. History of Deep Space Station 51 at Hartbeesthoek. Abgerufen am 14. Oktober 2017.
  4. esa: ESA and NASA extend ties with major new cross-support agreement. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Oktober 2017]).