ESTRACK

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Die 35-m-Antenne des ESTRACK Deep Space Netzwerks (DSA 2), 2010, in Cebreros, Spanien.

Unter dem Namen ESTRACK (ESA tracking stations) betreibt die europäische Raumfahrtbehörde ESA ein Netz von Funkstationen, die zur Kommunikation mit Satelliten und Raumsonden dienen. Durch weltweite Verteilung der Stationen ist gewährleistet, dass ein Raumflugkörper stets mit mindestens einer Station Funkverbindung aufnehmen kann.

Zu den Raumfahrtmissionen, die über ESTRACK gesteuert wurden oder noch werden, gehören u. a. Herschel, Planck, Venus Express, Mars Express, ExoMars, Rosetta, Gaia, BepiColombo, LISA Pathfinder, Solar Orbiter, Euclid und JUICE.

Bodenstationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ESTRACK besteht im Kern aus sieben Bodenstationen, die die Raumflugkörper mit dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt verbinden. Vier Stationen in Kourou, Kiruna, Redu und Santa Maria mit Antennendurchmessern von 5,5 bis 15 Metern sind zur schnellen Verfolgung von Raumfahrzeugen in der Startphase und in erdnahen Umlaufbahnen. Tracking erfordert vergleichsweise kleine und schnell bewegliche Antennen. Drei Stationen für Kommunikation in den tiefen Raum sind mit großen Antennen ausgerüstet. Drei Stationen befinden sich in Europa, eine in Australien, zwei auf dem südamerikanischen Kontinent und eine mitten im Atlantik.[1] Das Netzwerk kann die LEOP (Launch and Early Orbit Phase) nach Raketenstarts vom Centre Spatial Guyanais in Kourou überwachen. Während der Starts sind die Trackingeinrichtungen Galliot und Diane in Korou zusätzlich in Betrieb.

Als erste Antenne des Netzwerks wurde 1975 eine 15-m-Antenne in Villafranca gebaut. Die Funktionen der Station in Perth wurden 2015 von der Station New Norcia übernommen, die dafür eine zusätzliche 4,5-m-Antenne für schnelles Tracking bekam. Die Antennen von Villafranca und Maspalomas wurden an kommerzielle Betreiber abgegeben und sind inzwischen nicht mehr im Betrieb von ESTRACK.[2]

Deep Space Antennas (DSA)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Deep Space gelten nach der ITU Bahnen in mehr als 2 Million Kilometern Entfernung, aber die Einrichtungen können auch für kürzere Entfernung z. B. für Mondmissionen oder am Lagrangepunkt L2 eingesetzt werden. 1998 beschloss die ESA ein eigenes Netzwerk für „Einsätze im tiefen Weltraum“ (englisch deep space missions genannt) mit 35-m-Parabolantennen aufzubauen, um mit den geplanten zukünftigen interplanetaren Missionen schritt zu halten und nicht mehr abhängig vom Deep Space Network (DSN), der NASA, zu sein. Dabei wurden drei Stationen mit 35-m-Antennen im Abstand von jeweils rund 120° Länge über den Globus positioniert, so dass trotz der Erdrotation eine kontinuierliche Kommunikation mit weit entfernten Raumfahrzeugen möglich ist. Zwei der drei Stationen befinden sich auf der Südhalbkugel, da die Nordhalbkugel mit großen Deep-Space-Antennen diverser anderer Weltraumagenturen bereits sehr gut abgedeckt ist und diese optimal ergänzt.

DSA 1, 2010

Die erste Station, DSA 1, wurde 2002 in New Norcia gebaut, gefolgt 2005 von DSA 2 in Cebreros und 2012 mit DSA 3 in Malargüe. Am 19. November 2009 wurde mit dem argentinischen Staat ein Abkommen geschlossen, das den Aufbau und den Betrieb der Station in Malargüe für 50 Jahre zusichert. Das Abkommen verpflichtet den argentinischen Staat zur Bereitstellung von Dienstleistungen wie Wasser-, Strom- und Telekommunikationsleitungen, im Gegenzug werden zehn Prozent der Antennenzeit für nationale wissenschaftliche Projekte bereitgestellt. Alle drei Antennen sind Cassegrain-Beam-Wave-Guide-Antennen neuester Technik, bei denen die empfangenen Signale über ein Loch im Primärspiegel und diverse Reflektoren in den Unterbau der Antenne geleitet werden, wo die entsprechenden Empfänger und Sender bereitgehalten werden. Die Empfangsqualität wurde durch auf −258° Celsius gekühlte Empfänger soweit verbessert, dass die Leistung der 35-m-Antennen der von 40-m-Antennen entspricht.

Zur hochpräzisen Zeiterfassung sind die Anlagen mit einer Wasserstoff-Maser-Atomuhr ausgestattet. Alle Stationen unterstützen Delta DOR (Delta Differential One-way Range), eine Technologie zur präzisen Ortsbestimmung eines Raumfahrzeugs, mit der die Position mittels zweier Antennen auf 1 Meter genau und die Geschwindigkeit bis auf 0,1 mm/s bestimmt werden kann und verfügen über GPS-TDAF (GPS Tracking and Data Analysis Facility) zur genauen Positionsbestimmung. Alle Antennen verfügen über 2 und 20-kW-Sendeanlagen und haben eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für den Fall, dass das öffentliche Stromnetz ausfällt. Die Station in New Norcia bekam seit 2015 ein Feld mit Solarzellen, das im August 2017 fertig gestellt wurde. Mit einer Leistung von 250 kW soll es 470 MWh im Jahr elektrischen Strom produzieren und ungefähr 40 % des jährlichen Strombedarfs decken.[3] Alle Stationen sind mit Anlagen zur Radioastronomie ausgestattet und können sich an der radioastronomischen Forschung z. B. an VLBI beteiligen, solange sie nicht für Raumfahrtmissionen gebraucht werden.

Mit diesen drei Antennen kann die ESA unabhängig vom DSN rund um die Uhr interplanetare Missionen unterstützen. Die Gaia-Mission produziert sehr viele Daten und wäre ohne ein ESA-eigenes Antennennetz nicht möglich gewesen. Die Empfangskapazitäten der Stationen wurden eigens für diese Mission aufgestockt. Das entfernteste Signal, das von den DSA empfangen wurde, stammte von der Cassini-Mission aus einem Abstand von 1,44 Milliarden Kilometern.

Im April 2017 wurde bekanntgegeben, dass Malargüe für vier Millionen Euro mit neuer Technik ausgerüstet wird. Die Arbeiten dauerten zwei Jahre und brachten eine überarbeitete Signalverarbeitung und zusätzlichen Empfang im 26-GHz-Bereich.[4][5] Diese Erweiterung im Ka-Band kann die Sonde BepiColmbo zusätzlich unterstützen. Am 30. Januar 2020 gelang es der Station in New Norcia zum ersten Mal mit den zwei Missionen Mars Express und ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) gleichzeitig zu kommunizieren. Dabei wurde gleichzeitig auf zwei verschiedenen Frequenzen gesendet.[6]

Künftiger Ausbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der wachsende Bedarf an Antennenkapazitäten führte zu einem Vertrag mit Goonhilly Earth Station Ltd, dem Betreiber der Goonhilly Satellite Earth Station. Dort sollen 9,5 Millionen € investiert und damit die 32-Meter-Antenne mit Hilfe der ESA zu einer Deep Space Antenne ausgebaut werden. Die Antenne soll nach dieser Information ungefähr Mitte 2020 als erste kommerzielle Deep Space Station in Betrieb sein.[7]

2019 liefen Tests zur Nutzung der 30-Meter-Antenne der Bodenstation Weilheim als zusätzliche Deep-Space-Antenne zur Erweiterung der Empfangskapazitäten. Die Technik müsste dazu modernisiert und ausgebaut werden, außerdem könnte die Antenne, die seit längerer Zeit nur noch Empfänger hat, wieder mit einem Sender ausgestattet werden. Die Anlage ist für Deep-Space-Kommunikation konstruiert und zertifiziert und wurde in der Vergangenheit bereits zur Unterstützung von diversen Deep-Space-Missionen genutzt.[8]

Für Cebreros ist der Ausbau mit einem Sender im Ka-band (32 GHz) geplant.

Die Gaia-Mission sendet mit 10 Mb/s, die Euclid-Mission wird eine Datenrate von 149 Mb/s erreichen und dementsprechend müssen die Antennenanlagen, Einrichtungen und Datennetze ausgebaut werden. Derzeit wird ein 80 kW Sender entwickelt, der 2024 einsatzbereit sein soll.[9]

In New Norcia soll eine neue 35-Meter-Antenne die Empfangskapazitäten weiter erhöhen.[10] Der Empfänger der neuen Antenne wird gekühlt auf 10 Kelvin (−263° C), dieses bewirkt bei hohen Frequenzen eine 40 % höhere Datenrate. Die Bauarbeiten sollen 2023 abgeschlossen sein und die Antenne soll dann ungefähr mitte 2024 den regulären Betrieb aufnehmen und für die JUICE und HERA Missionen bereit sein. Die Stationen in Cebreros und Malargüe sollen ebenfalls die neuen Empfänger mit verbessertem Empfang bekommen.[10]

Antennen des ESTRACK Netzwerks 2018
(Deep Space Antennas (DSA) grün hinterlegt)
Namensgebender Ort1 Bezeichnung Durch­messer

(Meter)

Up Down Option Bemerkungen
New Norcia, Australien NNO1, (DSA 1) 350 S, X S, X Ka down Beam-Wave-Guide-Antenne, Gewicht 580 t[11] (31° 2′ 52,8″ S, 116° 11′ 31,2″ O). Seit dem 1. Juni 2019 wird die Station von CSIRO im Auftrag der ESA unterhalten.[12]
NNO2 4,5 X S, X Diese kleine und leichtbewegliche Antenne für schnelles Tracking wurde errichtet, um Aufgaben der Perth-Station zu übernehmen. Die Antenne hat einen erweiterten Sichtbereich, um Objekte in der Startphase zu finden, auch wenn die genaue Position nicht bekannt ist. Sie kann eine Radioquelle lokalisieren und hilft die große Antenne präzise auszurichten.[11]
DSA 4 350 Geplante 35-Meter-Antenne.[13] Die Bauarbeiten sollen 2023 fertig sein und der Betrieb Mitte 2024 aufgenommen werden, um für die JUICE- und HERA-Missionen bereit zu sein.[10]
Bodenstation Kiruna in Kiruna, Schweden KI1 150 S S, X (67° 51′ 25,2″ N, 20° 57′ 50,4″ O)
KI2 130 S S, X [14]
Europäisches Raumfahrtsicherheits- und Bildungszentrum in Redu, Belgien REDU-1 150 S S Die Station Redu verfügt über 43 bewegliche Antennen in verschiedenen Größen und Frequenzbereichen (S, Ku, Ka, L, C Band), einige davon zu Testzwecken. Die Bodenstation kann als Backup für ESOC dienen und untersucht das Weltraumwetter.[15] In Redu befindet sich ESEC, the European space Security and Education Centre.
REDU-2 13,5 Ka Ka
REDU-3 2,4 S S
90 S S
3,8 Ku Ku Sechs Antennen
9,3 C C
200 L L
Pastel Mission Control Kommunikation mit Satelliten via Laser
Cebreros, Spanien CEB (DSA 2) 350 X X, Ka Ka up Höhe 40 m, Gewicht 450 t, Kosten 30 Mio. Euro.[16] (40° 27′ 10,8″ N, 4° 22′ 4,8″ W)
Santa Maria, Azoren, Portugal SMA 5,5 S, X erste ESTRACK-Station, die vom Weltraumzentrum Guayana startende Raketen mit mittlerer Bahnneigung überwachen kann.[17] Die 15-Meter-Antenne von Perth soll hier neu aufgebaut und damit die Trackingfähigkeiten der Station verbessert werden.[18] (36° 59′ 50,1″ N, 25° 8′ 8,6″ W)
Kourou, Französisch-Guayana KRU 150 S, X S, X MASER-System zur Verfolgung von Flugbahnen von gestarteten Raketen, Überprüfung der Kommunikation mit Satelliten vor dem Start.[19] Eine 1,3-Meter Antenne mit X-Band Empfänger dient als Trackinghilfe. (5° 15′ 3,6″ N, 52° 48′ 18″ W)
Malargüe, Argentinien MLG (DSA 3) 350 X, Ka X, Ka K down Standort in 1550 m über dem Meeresspiegel, Höhe 40 m, Gewicht 610 t.[20] Der Standort wurde bewusst auf der Südhalbkugel gewählt, weil auf der Nordhalbkugel bereits eine Vielzahl von großen Antennen bestehen.(35° 46′ 33,6″ S, 69° 23′ 52,8″ W)


Ehemalige Antennen des ESTRACK Netzwerks
Namensgebender Ort1 Bezeichnung Durch­messer Up Down Option Bemerkungen
Maspalomas, Afrika 15 m S S, X X up Station auf Gran Canaria, Spanien (27° 45′ 46,8″ N, 15° 38′ 2,4″ W).[21] 2017 wurde die Station an INTA übergeben, arbeitet aber weiterhin für ESA.[2]
Perth, Australien 15 m S S, X Die Station in Perth wurde 2015 vom Netz genommen. Die besiedelte Fläche kam der Antenne immer näher, damit kamen zunehmende Probleme durch störende Funksignale, außerdem wurde die Betriebslizenz nicht weiter verlängert. Die Aufgaben wurden in New Norcia übernommen oder an kommerzielle Satellitenbetreiber nach Dongara abgegeben.[1][11] Die 15-Meter-Antenne soll abgebaut werden und die Santa-Maria-Station auf den Azoren soll damit ausgebaut werden.[2][18] (31° 48′ 10,8″ S, 115° 53′ 6″ O)
Villafranca del Castillo, Spanien VIL-1 15 m S S VIL-1 ist vorübergehend außer Betrieb und soll künftig für Cooperation for Education in Science and Astronomy Research (CESAR) für Ausbildung von Studenten an europäischen Universitäten genutzt werden.[22] (40° 26′ 24″ N, 3° 57′ 0″ W)
VIL-2 15 m S S VIL-2 war 2017 die einzige Antenne in Betrieb. Villafranca ist mit entsprechenden Rechenkapazitäten Standort für das ESAC-Missionszentrum für verschiedene Missionen.[22] Ende 2017 wurde die Antenne abgegeben und wird nicht mehr von ESTRACK betrieben.[2]
VIL-4 12 m C, X C, X, Ka Anfänglich für Betrieb im C-Band gebaut, dann für Technologietests für Empfang in X- und Ka-Band und Senden in X-Band genutzt, 2015 abgebaut.
1 Die Stationen befinden sich typischerweise einige dutzend Kilometer vom namensgebenden Ort entfernt.


Internationale Zusammenarbeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ESTRACK teilt seine Kapazitäten mit anderen Raumfahrtorganisationen und Netzwerken, die ihrerseits wiederum Kapazitäten für ESA-Missionen bereitstellen. Solche Netzwerke sind z. B. ASI (Italien), CNES (Frankreich), DLR (Deutschland), das DSN der NASA, das Goddard Space Flight Zentrum, die 64-Meter-Antenne des Usuda Deep Space Centers betrieben von JAXA (Japan) und das Telemetry, Tracking and Command Network (ISTRAC) der indischen Raumfahrtbehörde ISRO. ESTRACK unterstützte Missionen von China und Russland und die Landung der NASA-Rover auf dem Mars.

Stationen, mit denen Abkommen zur Zusammenarbeit bestehen, befinden sich in Poker Flat, Goldstone, Madrid, Weilheim, Esrange, Hartebeesthoek, Malindi, Kerguelen, Usuda, Masuda, Canberra.[23]

ESTRACK kann Funktionen des DSN übernehmen oder umgekehrt. Beide Netzwerke können sich in Notfällen unterstützen, Antennen zusammenschalten und gegenseitig Daten austauschen. Ein Abkommen zur generellen gegenseitigen Unterstützung wurde zwischen NASA und ESA am 21. März 2007 abgeschlossen.[24]

Die Zusammenarbeit ermöglicht erhöhte Auslastung, gegenseitige Unterstützung in Notfällen, mehr Flexibilität und Erweiterung der wissenschaftlichen Erträge für alle. Um die internationale Zusammenarbeit der Trackingeinrichtungen zu erleichtern, drängt die ESA auf Entwicklung und Anwendung von international anerkannten Standards zum Datenaustausch.[1] Alle Anlagen entsprechen den Bestimmungen des CCSDS.

ESTRACK (Welt)
Perth
Perth
New Norcia
New Norcia
Maspalomas
Maspalomas
Kiruna
Kiruna
Redu
Redu
Cebreros u. Villafranca
Cebreros u. Villafranca
Santa Maria
Santa Maria
Kourou
Kourou
Malargüe
Malargüe
ESOC
ESOC
ESTRACK-Bodenstationen: Red pog.svg Stationen für schnelles Tracking, Green pog.svg Deep-Space-Antennen, Blue pog.svg ESOC, Black pog.svg ehemalige Stationen

Ergänzendes Netzwerk[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben den ESA-eigenen Antennen gibt es noch ein ergänzendes Netzwerk von kommerziellen Satelliten-Stationen, die über Verträge Dienste für das Netzwerk bereitstellen. Diese Antennen werden für gewöhnlich von diversen nationalen Raumfahrtagenturen betrieben. Diese Stationen werden hauptsächlich während der LEOP-Phase nach Raketenstarts genutzt, wenn das bestehende Netz nicht ausreicht und sind für Satelliten, die Bahnen über die Pole haben.[1] Diese Stationen werden zu anderen Zeiten von kommerziellen Satellitenbetreibern und anderen Weltraumagenturen genutzt.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d esa: Estrack ground stations. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  2. a b c d esa: Transferring ownership of three ESA ground stations. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 8. Januar 2018]).
  3. esa: Going green to the Red Planet. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 5. Januar 2018]).
  4. esa: ESA boosting its Argentine link with deep space. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 29. August 2017]).
  5. Doing up the deep dish. Abgerufen am 16. Mai 2019 (britisches Englisch).
  6. First time controlling two spacecraft with one dish. Abgerufen am 28. März 2020 (englisch).
  7. esa: Goonhilly goes deep space. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 1. August 2018]).
  8. esa: ESA and DLR in joint study to support deep space missions. Abgerufen am 6. Juli 2019 (englisch).
  9. Doing up the deep dish. Abgerufen am 26. Dezember 2019 (englisch).
  10. a b c Super-cool addition to deep space family. Abgerufen am 26. Dezember 2019 (englisch).
  11. a b c esa: New Norcia - DSA 1. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 27. August 2017]).
  12. esa: New era for New Norcia deep space antenna. Abgerufen am 6. Juli 2019 (britisches Englisch).
  13. esa: Lagrange mission. Abgerufen am 6. Juli 2019 (britisches Englisch).
  14. esa: Kiruna station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  15. esa: Redu station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  16. esa: Cebreros - DSA 2. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  17. esa: Santa Maria station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  18. a b esa: Recycling a space antenna. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 27. August 2017]).
  19. esa: Kourou station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  20. esa: Malargüe - DSA 3. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  21. esa: Maspalomas station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  22. a b esa: Villafranca station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
  23. ESA komplettiert European Deep Space Network (Bild) | heise online. Abgerufen am 27. August 2017.
  24. esa: ESA and NASA extend ties with major new cross-support agreement. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 29. August 2017]).