ESTRACK
Unter dem Namen ESTRACK (ESA tracking stations) betreibt die europäische Raumfahrtbehörde ESA ein Netz von Funkstationen, die zur Kommunikation mit Satelliten und Raumsonden und zur Unterstützung von Raketenstarts dienen. Durch weltweite Verteilung der Stationen ist gewährleistet, dass ein Raumfahrzeug stets mit mindestens einer Station Funkverbindung aufnehmen kann.
Zu den Raumfahrtmissionen, die über ESTRACK gesteuert wurden oder noch werden, zählen u. a. Herschel, Planck, Venus Express, Mars Express, ExoMars, Rosetta, Gaia, BepiColombo, LISA Pathfinder, Solar Orbiter, Euclid und JUICE und zahlreiche wissenschaftliche Satelliten.
Bodenstationen
ESTRACK besteht im Kern aus sieben Bodenstationen, die die Raumfahrzeuge mit dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt verbinden. Vier Tracking-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 Deep-Space-Stationen für Kommunikation in den tiefen Raum sind mit 35-Meter-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 Kourou 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 erhielt. 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)
1998 beschloss die ESA, ein eigenes Netzwerk von Deep-Space-Stationen für „Einsätze im tiefen Weltraum“ (englisch deep space missions) 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 und ergänzen optimal die zahlreichen Deep-Space-Antennen diverser anderer Weltraumagenturen, die die Nordhalbkugel bereits sehr gut abdecken.
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 Straßenanschluss, Wasser-, Strom- und Telekommunikationsleitungen; im Gegenzug werden zehn Prozent der Antennenzeit für nationale wissenschaftliche Projekte bereitgestellt.
Die Gaia-Mission produziert sehr viele Daten und wäre ohne ein ESA-eigenes Antennennetz nicht möglich gewesen. Die Empfangskapazitäten und die Datenverarbeitung 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.
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 sich die entsprechenden Empfänger und Sender befinden. Die Empfangsqualität wurde durch auf −258 °Celsius gekühlte Empfänger soweit verbessert, dass die Leistung der 35-m-Antennen der von ungekühlten 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 kW und 20-kW-Sendeanlagen und haben eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für den Fall, dass das öffentliche Stromnetz ausfällt. Die Station in New Norcia erhielt ab 2015 eine Photovoltaikanlage, die im August 2017 fertig gestellt wurde. Mit einer Leistung von 250 kW soll sie 470 MWh an elektrischer Energie pro Jahr bereitstellen und etwa 40 % des jährlichen Strombedarfs decken.[3] Alle Stationen sind mit Anlagen zur Radioastronomie ausgestattet und können sich an der radioastronomischen Forschung z. B. mittels VLBI beteiligen, solange sie nicht für Raumfahrtmissionen benötigt werden. Die Teilnahme an VLBI ist außerdem notwendig für die hochpräzise Messung der Antennenposition bis in den Bereich von wenigen Millimetern.
Die Station in Cebreros wurde 2017 für den Empfang im Ka-Band aufgerüstet. Von 2017 bis 2019 wurde Malargüe für vier Millionen Euro mit neuer Technik ausgerüstet für eine überarbeitete Signalverarbeitung und zusätzlichen Empfang im 26-GHz-Bereich. Diese Erweiterung im Ka-Band kann die Sonde BepiColombo zusätzlich unterstützen. Die Gaia-Mission sendet mit 10 MB/s, die Euclid-Mission soll eine Datenrate von 149 MB/s erreichen. Dementsprechend wurden die Antennenanlagen, Einrichtungen und Datennetze ausgebaut.[4][5]
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]
Der wachsende Bedarf an Antennenkapazitäten führte zu einem Vertrag mit Goonhilly Earth Station Ltd, dem Betreiber der Goonhilly Satellite Earth Station. Dort wurden 9,5 Millionen Euro investiert und damit Antennen und Empfangsanlagen mit Hilfe der ESA zu einer kommerziellen Deep-Space-Station ausgebaut.[7] Die 32-Meter-Schüssel GHY-6 (Merlin) wurde als kommerzielle Deep-Space-Station im Juni 2021 eröffnet.[8] Die 30-Meter-Antenne GHY-3 (Guinevere) soll 2022 folgen.
Im Mai 2021 wurde ein Upgrade der Station in Cebreros abgeschlossen. Der neue Empfänger ist nun auf 10 K heruntergekühlt (−263 °C) das erlaubt eine bis zu 40 % höhere Datenrate im X-Band durch den verbesserten Empfang. Die höhere Empfindlichkeit macht nun außerdem die Unterstützung von Missionen zu Uranus and Neptun möglich. Die Station in Malargüe bekommt 2022 diese Verbesserung für X-Band und im Ka-Band. Der neue Empfänger soll in den höheren Frequenzen eine bis zu 80 % höhere Datenrate zulassen. Die Station in New Norcia bekommt das Upgrade später, die neue Antenne soll bei der Eröffnung bereits auf dem neuesten Stand sein. Der Empfänger stammt vom französischen Unternehmen Callisto Space und wurde speziell für ESA entwickelt. Profitieren sollen davon vor allem die Missionen BepiColombo und Juice.[9]
Künftiger Ausbau
2019 liefen Tests zur Nutzung der 30-Meter-Antenne der Bodenstation Weilheim des DLR 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 dafür zertifiziert und wurde in der Vergangenheit bereits zur Unterstützung von diversen Deep-Space-Missionen genutzt.[10]
Derzeit wird ein 80-kW-Sender entwickelt, der 2024 einsatzbereit sein soll. Alle Systeme sind bereits für den neuen Sender vorbereitet.[5]
In New Norcia soll eine neue 35-Meter-Antenne die Empfangskapazitäten weiter erhöhen.[11] Der Empfänger der neuen Antenne wird auf 10 Kelvin (−263 °C) gekühlt, dieses bewirkt bei hohen Frequenzen eine 40 % höhere Datenrate. Die Bauarbeiten sollen 2023 abgeschlossen sein und die Antenne soll dann nach Test und Kalibrierung ungefähr Mitte 2024 den regulären Betrieb aufnehmen und für die JUICE und HERA Missionen bereit sein.[11]
| Namensgebender Ort1 | Bezeichnung | Spiegel
⌀ (m) |
Baujahr | Up | Down | Option | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| New Norcia, Australien | NNO1, (DSA 1) | 35 | 2002 | S, X | S, X | Ka down | Beam-Wave-Guide-Antenne, Gewicht 580 t[12] (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.[13] |
| NNO2 | 4,5 | 2015 | 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.[12] | ||
| DSA 4 | 35 | Geplante 35-Meter-Antenne im X- und Ka-Band. Die Bauarbeiten sollen 2023 fertig sein und der reguläre Betrieb nach der Kommissionierung Mitte 2024 aufgenommen werden[11] | |||||
| Bodenstation Kiruna in Kiruna, Schweden | KI1 | 15 | 1990 | S | S, X | (67° 51′ 25,2″ N, 20° 57′ 50,4″ O) Die Station besteht seit 1990 und ist für Satelliten mit polaren Umlaufbahnen zugeschnitten. | |
| KI2 | 13 | S | S, X | [14] | |||
| Europäisches Raumfahrtsicherheits- und Bildungszentrum in Redu, Belgien | REDU-1 | 15 | S | S | Die Station Redu verfügt über ca. 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 | ||||
| 9 | S | S | |||||
| 3,8 | Ku | Ku | Sechs Antennen | ||||
| 9,3 | C | C | |||||
| 20 | L | L | |||||
| Pastel Mission Control | Kommunikation mit Satelliten via Laser | ||||||
| Cebreros, Spanien | CEB (DSA 2) | 35 | 2005 | X | X, K, Ka | Ka up | Höhe 40 m, Gewicht 450 t, Kosten 30 Mio. Euro.[16] (40° 27′ 10,8″ N, 4° 22′ 4,8″ W) Am Standort befand sich zuvor eine Antenne des DSN. |
| 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) Nicht weit von der Station befindet sich die RAEGE Station mit einem Gravimeter, einem Seismographen, einem Accelerograph, einer 13,2-Meter Antenne für VLBI und GNSS Stationen. | |||
| Kourou, Französisch-Guayana | KRU | 15 | 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. Die Station hat eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und Einrichtungen für GPS-TDAF, GESS (5° 15′ 3,6″ N, 52° 48′ 18″ W) | ||
| Malargüe, Argentinien | MLG (DSA 3) | 35 | 2012 | 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) Malargüe ist auch Standort des Pierre-Auger-Observatoriums. |
| 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] | |
| Odenwald, Deutschland | 15 m 13,5 m |
S | S | Auch bekannt unter dem Namen ESOC-Bodenstation Michelstadt. Aufgebaut 1975 und für Hipparcos und Meteosat genutzt. Die Anlage wurde 2002 an einen kommerziellen Satellitenbetreiber abgegeben. Nach Insolvenz des Betreibers ist die Anlage seit ca. 2010 außer Betrieb. | ||
| Perth, Australien | 15 m | S | S, X | Die Station in Perth wurde 2015 vom Netz genommen. Die Besiedelung kam der Antenne immer näher, damit entstanden 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][12] Die 15-Meter-Antenne sollte abgebaut werden und die Santa-Maria-Station auf den Azoren damit ausgebaut werden.[2][18] Am Standort betreibt Telstra Landsdale eine Antennenstation für Telekommunikation, die auch die 15 m Antenne betreute. (31° 48′ 10,8″ S, 115° 53′ 6″ O) | ||
| Villafranca del Castillo, Spanien | VIL-1 | 15 m | S | S | VIL-1 wurde 1975 als erste Antenne des Netzwerks gebaut. Sie soll 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 | Villafranca ist mit entsprechenden Rechenkapazitäten Standort für das ESAC-Missionszentrum für verschiedene Missionen.[22] Ende 2017 wurde VIL-2 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. |
New Norcia hat einen Solargenerator
Hauptantenne von New Norcia
Die 4,5-Meter-Antenne für schnelles Tracking in New Norcia
Malargüe Station DSA3
Malargüe Station DSA3
Internationale Zusammenarbeit
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, die 54-Meter-Antenne der Misasa Deep Space Station 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 von NASA-Rovern 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], Galliot (Frz. Guayana), Natal Tracking Station in Rio Grande do Norte (Brasilien), Libreville (Gabun), Ascension.[24]
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.[25] 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.
Am 30. Juli 2021 unterzeichnete ISRO ein Abkommen mit ESA zur gegenseitigen Unterstützung in missionskritischen Situationen für ausgewählte Weltraummissionen, beispielsweise für die LEOP nach Raketenstarts, das Einschwenken in eine Umlaufbahn oder eine Landung auf einem Himmelskörper. Das Abkommen unterstützt den Austausch von Navigationsdaten, Unterstützung im Missionsbetrieb und die Weiterleitung von Daten. Gelegenheiten zur Umsetzung des Abkommens bestehen in den kommenden Missionen der ISRO mit dem bemannten Raumfahrtprogramm Gaganyaan, der Mondmission Chandrayaan-3 und Aditya-L1 zur Erforschung der Sonne. Im Gegenzug kann ESA die Trackingstationen der ISTRAC und die Deep Space Station des IDSN in Byalalu bei Bangalore für eigene Missionen nutzen.[26]
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ESTRACK-Bodenstationen: Stationen für schnelles Tracking, Deep-Space-Antennen, ESOC, ehemalige Stationen |
Ergänzendes Netzwerk
Neben den ESA-eigenen Antennen und den Abkommen zur gegenseitigen Nutzung von Antennenstationen mit anderen Weltraumagenturen gibt es noch ein ergänzendes Netzwerk von kommerziellen Satellitenstationen, 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.
- Dongara Station in West-Australien (war zwischenzeitlich Ersatz für die Station in Perth)
- Santiago de Chile in Zusammenarbeit mit dem Raumforschungszentrum der Universität von Chile, betrieben durch SSC Chile
- South Point Station bei Kailua-Kona auf Hawaii, betrieben durch Universal Space Network
- Svalbard Station bei Longyearbyen, Spitzbergen, betrieben durch Kongsberg Satellite Services AS (KSAT)
- Troll Satellite Station in der Antarktis, betrieben durch KSAT
- Goonhilly Satellite Earth Station, betrieben durch Goonhilly Earth Station Ltd.
Siehe auch
Weblinks
- Überblick über die Bodenstationen auf den Seiten der ESA (englisch)
- Estrack Broschüre der ESA Broschüre (englisch, PDF-Datei, 4,1 MB)
- ESTRACKnow. Abgerufen am 6. Juli 2019.
Einzelnachweise
- esa: Estrack ground stations. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Transferring ownership of three ESA ground stations. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 8. Januar 2018]).
- esa: Going green to the Red Planet. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 5. Januar 2018]).
- esa: ESA boosting its Argentine link with deep space. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 29. August 2017]).
- Doing up the deep dish. Abgerufen am 26. Dezember 2019 (englisch).
- First time controlling two spacecraft with one dish. Abgerufen am 28. März 2020 (englisch).
- esa: Goonhilly goes deep space. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 1. August 2018]).
- Goonhilly Earth Station - International Satellite Teleport. Abgerufen am 28. August 2021 (englisch).
- Cool tech to almost double deep space data. Abgerufen am 17. Oktober 2021 (englisch).
- esa: ESA and DLR in joint study to support deep space missions. Abgerufen am 6. Juli 2019 (englisch).
- Super-cool addition to deep space family. Abgerufen am 26. Dezember 2019 (englisch).
- esa: New Norcia - DSA 1. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 27. August 2017]).
- esa: New era for New Norcia deep space antenna. Abgerufen am 6. Juli 2019 (britisches Englisch).
- esa: Kiruna station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Redu station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Cebreros - DSA 2. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Santa Maria station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Recycling a space antenna. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 27. August 2017]).
- esa: Kourou station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Malargüe - DSA 3. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Maspalomas station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- esa: Villafranca station. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 14. Mai 2017]).
- ESA komplettiert European Deep Space Network (Bild) | heise online. Abgerufen am 27. August 2017.
- Who keeps track of the launcher once it lifts off? Abgerufen am 3. September 2021 (englisch).
- esa: ESA and NASA extend ties with major new cross-support agreement. In: European Space Agency. (esa.int [abgerufen am 29. August 2017]).
- ESA and Indian space agency ISRO agree on future cooperation. Abgerufen am 8. Oktober 2021 (englisch).