Deep-Space-Station

Eine Tiefraumstation oder Deep-Space-Station ist eine Anlage, die der Kommunikation einer Weltraumorganisation mit weit entfernten Raumfahrzeugen dient. Im Vergleich zu einer allgemeinen Erdfunkstelle oder Bodenstationen für die Satellitenkontrolle verfügt sie über deutlich größere Antennen mit starker Richtwirkung, stärkere Sender und empfindlichere, oft auch gekühlte und meist schmalbandige Empfänger. Die großen und schweren Parabolantennen bewegen sich nur langsam, zumeist entsprechend der Erddrehung, und können in den meisten Fällen nicht für schnelles Tracking von erdnahen Satelliten eingesetzt werden.

30-Meter-Deep-Space-Antenne der DLR in Weilheim. Für die Helios-Raumsonden war sie in das DSN integriert, heute bei Bedarf von der ESA genutzt.

Einige Anlagen für die Radioastronomie haben die notwendigen großen Parabolantennen und können damit auch die Signale von diesen Raumfahrzeugen empfangen und weiterleiten, verfügen aber nicht über eigene Sender.

Betrieb

Die technischen Anlagen einer Deep-Space-Station richten sich in Art und Umfang nach den Bedürfnissen der unterstützten Weltraummissionen und sind Bestandteil der Missionsplanung. Die Anlagen müssen so eingerichtet werden, dass die Missionen auch unter ungünstigen Bedingungen ihre Daten erfolgreich übertragen können und der Ausfall einzelner Komponenten nicht den Erfolg für eine gesamte Mission gefährdet. Zusätzlich benötigte Technik ist ein Faktor bei den Gesamtkosten für eine interplanetare Mission und man ist bestrebt, diese Technik für möglichst viele Missionen zu nutzen. Die Kosten für den Bau, Betrieb und Unterhalt von Deep-Space-Stationen sind zumeist anteilig in den Missionskosten enthalten.

Der Betrieb einer Deep-Space-Station unterliegt verschiedenen nationalen und internationalen Regulierungen und muss genehmigt und zertifiziert werden. Die stark gebündelten Mikrowellen können Umweltschäden verursachen oder sogar tödlich sein, wenn sie in wenigen Kilometern Entfernung direkt auf die Erde, eine Person oder ein Flugzeug treffen. Zur Sicherheit dürfen die Schüsseln im Betrieb eine bestimmte Elevation nicht unterschreiten, auch die maximale Sendeleistung oder die nutzbaren Frequenzbänder können beschränkt werden. Im Umkreis um die Station wird oft eine Flugverbotszone oder ein militärisches Sperrgebiet oder eine Schutzzone funktechnischer Anlagen eingerichtet.

Verschiedene Weltraumagenturen haben sich im Consultative Committee for Space Data Systems zusammengeschlossen und schaffen gemeinsame Standards, die den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Weltraumagenturen ermöglichen. Somit kann prinzipiell jede Deep-Space-Station mit jeder Weltraumagentur und jedem Missionszentrum Daten austauschen, solange sie den vereinbarten Standards entspricht, egal welche Technik dafür eingesetzt wird. Die Standards werden bei Bedarf auch gemeinsam weiterentwickelt.

Definitionen von Deep Space

Nach der Definition der Internationalen Fernmeldeunion ist Deep Space der Weltraum in mehr als 2 Millionen km (ca. 0,01 AE) Entfernung von der Erdoberfläche. Das entspricht ungefähr dem Bereich, in dem das Schwerefeld der Erde nicht mehr vorherrschend ist. Missionen zum Mond und zu den Lagrange-Punkten L₁ und L₂ mit Entfernungen von 1,5 Millionen km fallen nach dieser Definition nicht in diese Kategorie.

Das Deep Space Network der NASA benutzte den Begriff auch für Entfernungen ab 16.000 bis 32.000 km von der Erde, was weniger als der Entfernung von geostationären Satelliten entspricht, die in 35.800 bis 41.700 km Höhe stationiert sind.

Nach chinesischer Definition ist alles jenseits von 80.000 km Deep Space, das entspricht dem Weltraum jenseits des Bereichs, in dem Erdsatelliten unterwegs sind.

Trotz diesen begrifflichen Abgrenzungen werden Deep-Space-Stationen nicht nur für interplanetare Missionen, sondern abweichend davon regelmäßig zur Kommunikation mit geostationären Satelliten, für Mondmissionen und Missionen zu den Lagrangepunkten eingesetzt.

Frequenzbänder in GHz[1]
Band	Erdferne Frequenzen für mehr als 2 Millionen km Entfernung		Erdnahe Frequenzen für weniger als 2 Millionen km Entfernung
Band	Senden (Erde an Raumfahrzeug)	Empfangen (Raumfahrzeug an Erde)	Senden (Erde an Raumfahrzeug)	Empfangen (Raumfahrzeug an Erde)
S-Band	2,110–2,120	2,290–2,300	2,025–2,110	2,200–2,290
X-Band	7,145–7,190	8,400–8,450	7,190–7,235	8,450–8,500
K-Band			22,550–23,150	25,500–27,000
Ka-Band	34,200–34,700	31,800–32,300

Standortfaktoren

Die Muldenlage der ESTRACK-Station in Cebreros schützt die Antenne vor unerwünschter Radioeinstrahlung und vor Sturm

Für die Einrichtung einer solchen Station werden bestimmte Standortfaktoren bevorzugt, nicht immer lassen sich alle Bedingungen erfüllen:

Lage in einer Talmulde
entfernt oder durch Landhöhen abgeschirmt von menschlichen Radioquellen, Populationszentren, Hauptverkehrsadern, Hochspannungstrassen und Industrieanlagen als Quellen von elektromagnetischen Störungen
entfernt von häufig genutzten Flugrouten und starkem Flugverkehr
geologische Stabilität der Region: keine starke Bewegung der Erdkruste, keine Erdbebenzone oder Plattengrenze in der Nähe
tragfähiger Baugrund
stabile Wetterbedingungen mit wenig Regen, nicht in Gebieten mit Salzwassernebel, häufigen Stürmen oder Wetterextremen
Infrastrukturen wie Stromnetz, Straßenanschluss, Wasserversorgung, Flugplatz, Internetverbindungen, Zugang für Schwerlastverkehr während Bauphasen
qualifiziertes Personal zum Bau und Unterhalt vor Ort verfügbar
Möglichkeiten zur späteren Erweiterung
Aufgrund der internationalen Verflechtung ist die politische Stabilität und die Qualität der internationalen Beziehungen ein Faktor.

Ein möglicher Standort wird im Vorfeld mit mobilen Messstationen auf den Einfluss von Störquellen untersucht.

Einrichtungen

Einrichtungen, die sich typischerweise am Standort einer Deep-Space-Station finden:

Mindestens eine leistungsfähige Parabolantenne, zumeist zwischen 30 und 70 Metern Durchmesser. Auch Antennen mit kleineren Durchmessern können Signale empfangen, erreichen aber dabei nicht immer den benötigten Rauschabstand bzw. die benötigte Datenrate. Sie können zugeschaltet werden, um die Datenrate zu verbessern. Mehrere kleine Antennen können in einem Array zusammengeschaltet eine große Antenne ersetzen. In der Vergangenheit wurden 26-Meter-Antennen für Mond- und Lagrange-Missionen eingesetzt.
Empfänger, oft für mehrere Frequenzbänder, jeweils zugeschnitten auf die unterstützten Missionen. Häufig sind auch gekühlte Empfänger.
Sender mit einer Leistung zwischen 2 kW und 400 kW. Zusätzliche schwächere Sender nur für erdnahe Kommunikation sind möglich. Anlagen mit Ausrüstung für Radarastronomie können Sender mit weit stärkeren, gepulsten Signalen besitzen. Anfang der 2020er Jahre sind Sender mit 20 kW Sendeleistung und ein schwächerer Sender von 2 kW für Kommunikation in Erdnähe die Standardausstattung für eine vollwertige Deep-Space-Station. Diverse Ausbauprogramme der ESA und NASA sehen ab ca. 2025 neue Sender mit variabler Ausgangsleistung bis 80 oder 100 kW vor. Für die tatsächliche Signalstärke am Raumfahrzeug spielen außer der Sendeleistung auch die Größe des Hauptspiegels, die Präzision des Spiegelgeometrie, die Ausrichtungsgenauigkeit und der Öffnungswinkel eine Rolle, ebenso die Größe und Geometrie der Empfangsantenne am Raumfahrzeug.
Atomuhr, meistens eine Wasserstoff-Maser-Uhr, häufig auch redundant
Globales Navigationssatellitensystem, z. B. GPS-TDAF zur präzisen Ortsbestimmung
unterbrechungsfreie Stromversorgung
Kühleinrichtung für die Empfänger
Datenverarbeitungsanlagen und Zwischenspeicherung
Breitbandverbindung zur Missionskontrolle
sonstige Kommunikationseinrichtungen, Richtfunkverbindungen oder Verbindungen zu Kommunikationssatelliten
Einrichtungen zur Teilnahme an VLBI
Technische Unterstützung, Personal und Einrichtungen für Betrieb und Unterhalt.

Einrichtungen, die für den Betrieb notwendig sind, sich aber häufig an anderen Orten befinden, möglicherweise auch in einem anderen Land oder auf einem anderen Kontinent:

Missionskontrolle
Kodierer/Dekodierer
Datenauswertung
Datenarchivierung
Korrelator
Optional gibt es eine designierte Antenne oder Antennenstation, die während Wartungsarbeiten oder bei einem ungeplanten Ausfall die Funktion kurzfristig als Backup übernehmen kann.

Aufgaben

Empfang von Telemetrie der Raumfahrzeuge
Sammeln von Daten zur Entfernungsbestimmung, Positionsbestimmung, Geschwindigkeitsbestimmung, Kursbestimmung. Dafür können verschiedene Techniken eingesetzt werden z. B. Doppler-Verschiebung oder Laufzeitmessungen, sowie Delta-DOR. Viele dieser Verfahren sind spezielle Triangulationen und setzen eine entfernte weitere Deep-Space-Station voraus.
Senden von Flugbefehlen an das Raumfahrzeug
Empfang der Daten der Nutzlasten
Bei bemannten Missionen Liveübertragung von Vitaldaten, Sprechfunk, Kamerabildern und Video

Empfang von Nebenkeulen und Streusignalen von geostationären Satelliten mit Richtantennen. Mit dieser Fähigkeit lassen sich Satelliten retten, deren Antennen falsch ausgerichtet sind.
Nutzung zur Spionage durch Anzapfen der Streusignale von Richtfunkverbindungen, Kommunikationssatelliten etc. ist möglich.

Nicht zu den Aufgaben gehört die Bahnverfolgung der Trägerrakete und des Raumfahrzeugs während und nach der Startphase und in niedrigen Erdumlaufbahnen, dafür sind Trackingstationen zuständig. Nicht zu den Aufgaben gehört die Berechnung der Flugbahnen und die Auswertung der Telemetrie oder die Überwachung des Zustands des Raumfahrzeugs, dafür ist die Missionskontrolle zuständig. Nicht zu den Aufgaben gehört die Auswertung der Missionsdaten, dafür ist die wissenschaftliche Missionskontrolle zuständig.

Nutzung als Radioteleskop und Teilnahme VLBI

Wenn die Station zeitweise keine Daten von und zu einer Mission übertragen muss, kann die Anlage allgemein als Radioteleskop im Dienst der Forschung und der Geodäsie verwendet werden. In dieser Eigenschaft kann sie an VLBI-Messungen teilnehmen und bei der Erstellung von Quasarkatalogen unterstützen. VLBI-Messungen haben auch für die Station einen Nutzen, denn damit kann umgekehrt wiederum der Standort der Station genauer bestimmt werden und die vermessenen Quasare können zur Kalibrierung genutzt werden. Die Qualität von vielen Messungen hängt von der genauen Bestimmung der eigenen Position bis in den Bereich von wenigen Millimetern ab. Eine gewisse Zeit für den Wissenschaftsbetrieb wird somit oft von vornherein eingeplant. Deep-Space-Stationen, die von einer Raumfahrtagentur außerhalb der Jurisdiktion betrieben werden, erkaufen sich die Genehmigung für den Betrieb auf fremder Erde mit zeitlichen Nutzungsrechten durch lokale Weltraumagenturen oder wissenschaftliche Institute. Ebenso ist es möglich Antennenzeit mit anderen Weltraumagenturen zu tauschen oder zu handeln.

Weltweite Deep-Space-Stationen und Netzwerke

Deep-Space-Station (Welt)

Kashi

Jiamusi

Kunming

Miyun

Tianma

Ürümqi

Wuqing

FAST

Lejano

Goldstone

Madrid

Canberra

New Norcia

Cebreros

Malargüe

Usuda/Misasa

Uchinoura

Byalalu

Jewpatorija

Galjonki

Medvezhi ozera

Weilheim

Arecibo (ehemals)

Effelsberg

VLA

Jodrell Bank

Goonhilly

Sardinia RT

Parkes

Green Bank

Weltweite Deep-Space-Stationen mit Antennendurchmesser ab 30 m: blau=DSN, grün=ESTRACK, rot=CDSN, gelb=Jaxa, orange=ISRO, violett=Roskosmos, türkis=DLR, schwarz = wissenschaftliches Radioteleskop, pink=kommerziell

Bisher betreiben nur wenige Raumfahrtagenturen eigene Deep-Space-Stationen. Folgende Deep-Space-Stationen und -Netzwerke werden mit Stand 2021 von den jeweiligen Organisationen betrieben:

Deep Space Network (DSN) der NASA
Chinesisches Deep-Space-Netzwerk (CDSN)
ESTRACK der ESA
Russisches Deep Space Network, betrieben von Roskosmos
Japanisches Deep Space Network der JAXA mit den Stationen Usuda/Misasa und Uchinoura
Indian Deep Space Network (IDSN) der indischen Raumfahrtagentur ISRO mit einer Station in Byalalu
Bodenstation Weilheim des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Goonhilly Satellite Earth Station, ein kommerzieller Dienstleister für Weltraumkommunikation
Ein spezieller Fall ist CSIRO, die keine eigene Deep Space Station besitzt, aber in Australien die Stationen in Canberra und New Norcia im Auftrag von NASA und ESA betreibt.

Deep-Space-Antennen für die Raumfahrt mit Durchmesser 30 m oder mehr im Vergleich (Stand Ende 2021)
	NASA DSN	CDSN	ESTRACK	Roskosmos	JAXA	ISRO	DLR	Goonhilly
Bestehende Anlagen	70 m 3 × 34 m 10 ×	70 m 1 × 65 m 2 × 50 m 1 × 40 m 2 × 35 m 5 ×	35 m 3 ×	70 m 2 × 64 m 1 ×	64 m 1 × 54 m 1 × 34 m 1 ×	32 m 1×	30 m 1 ×	30 m 1 × 32 m 1 ×
Anlagen geplant oder im Bau	34 m 2 ×	110 m 1 ×	35 m 1 ×
Bei Bedarf zuschaltbar: Ersatzsysteme oder wissenschaftliche Radioteleskope	Parkes-Observatorium VLA Green Bank	25 m 2 × FAST	Stationen der Esa-Staaten[2] Goonhilly	keine Information[3]	30 m 1 × 20 m 1 ×	18 m 1×	Effelsberg
Gesamt (Standardbetrieb)	13	11	3	3	3	1	1	2

Einzelnachweise

Deep Space Network 201 Frequency and Channel Assignments. DSN No. 810-005, 201, Rev. E, 5. Februar 2021 (nasa.gov [PDF]).
Dazu gehören die Radioteleskope von astronomischen Instituten und nationalen Weltraumorganisationen z. B. das RT Effelsberg, Bodenstation Weilheim, Jodrell Bank, Sardinia Radio Telescope etc.
Vieles ist mittlerweile veraltet, die Betriebsbereitschaft diverser Anlagen ist unklar, ebenso der technische Ausbau.

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[1] Deep Space Network 201 Frequency and Channel Assignments. DSN No. 810-005, 201, Rev. E, 5. Februar 2021 (nasa.gov [PDF]).

[2] Dazu gehören die Radioteleskope von astronomischen Instituten und nationalen Weltraumorganisationen z. B. das RT Effelsberg, Bodenstation Weilheim, Jodrell Bank, Sardinia Radio Telescope etc.

[3] Vieles ist mittlerweile veraltet, die Betriebsbereitschaft diverser Anlagen ist unklar, ebenso der technische Ausbau.