Deep Space Network

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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. Das gesamte Netzwerk wird vom Goldstone Deep Space Communications Complex aus kontrolliert.

Stationen

Goldstone Madrid Canberra

Standorte des Deep Space Network

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

• Goldstone Deep Space Communications Complex (GDSCC), Mojave-Wüste, Kalifornien, USA
• Madrid Deep Space Communications Complex (MDSCC), Robledo de Chavela bei Madrid, Spanien
• Canberra Deep Space Communication Complex (CDSCC), Tidbinbilla bei Canberra, Australien

Anfangs gab es noch zwei weitere große Stationen mit 27-m-Antennen:

• Woomera, Australien (1959–1972)
• Hartebeesthoek bei Johannesburg, Südafrika (1961–1974)^[1]

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. Jede Station hat neben kleineren Antennen 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 z. B. hochaufgelöste Radarbilder von Asteroiden und anderen Himmelskörpern des Sonnensystems ermöglicht. Die Veränderung von Radiosignalen der Raumfahrzeuge beim Durchtritt durch die Atmosphäre von Himmelskörpern kann ausgenutzt werden, um Informationen über deren Atmosphäre zu gewinnen.

Alle drei Komplexe verfügen über eine zusätzlich unabhängige unterbrechungsfreie Notstromversorgung mit Batterien und Dieselgeneratoren. Die Batterien halten 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 aus irgendeinem Grund ausfällt.

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

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

Den Anfang bildete ein Netzwerk von 27-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 zu Astronauten und Raumschiffen in erdnahen Umlaufbahnen unterhalten zu können. Darunter waren:

• NRAO 85-1 Howard E. Tatel Radio Telescope in Green Bank, West Virgina 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

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

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 27-m-Antennen nicht mehr bewältigt werden, daher wurden in den 1980er und 1990er Jahren zusätzliche 34-m-Antennen gebaut, bestehende 27-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 konnte die erforderliche Datenrate erreicht werden.

Inzwischen sind alle 27-m-Antennen des DSN durch 34-m-Antennen ersetzt worden. 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.

Jedes der drei Zentren hat eigenes technisches und wissenschaftliches Personal für Betrieb und Unterhalt, jedoch läuft die Koordination der Beobachtungszeiten und Sende- und Empfangskapazitäten zentral über den Goldstone-Komplex in Kalifornien.

Bei vielen Missionen arbeitet DSN eng mit dem ESTRACK-Netzwerk der ESA zusammen und 2007 unterzeichnete man ein Abkommen zur gegenseitigen Unterstützung.^[4] Die Positionen der drei 34-Meter ESTRACK-Antennen sind in einigen Fällen günstiger als die des DSN, außerdem gibt es Fälle, in denen besonders viele Daten anfallen oder mehrere Objekte gleichzeitig beobachtet werden müssen. Alle Anlagen entsprechen den Bestimmungen des CCSDS, damit ist ein Datenaustausch und die Zusammenarbeit zwischen beiden Netzwerken möglich.

Aufgaben

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 Befehle und Kursdaten an das Raumfahrzeug übermitteln können. Das DSN arbeitet dabei als Vermittler zwischen den Projekten und ihrem Objekt.
• 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.
• 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

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen
• ESTRACK

Literatur

• Jim Taylor: Deep Space Communications. Wiley, 2016, ISBN 978-1-119-16902-4.

Weblinks

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

• raumfahrer.net: – Neue Antennen für Mars Express & Co.
• NASA: Deep Space Network Homepage (englisch)
• Deep Space Network Now ständig aktuelle technische Information über die Kommunikation des DSN mit verschiedenen Missionen.

Einzelnachweise