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Entfernungsmessungen zu Satelliten

Bild 1: Voyager

Entfernungsmessungen zu Satelliten

Eine Positions- oder Entfernungsermittlung zu einem Satelliten kann ausschließlich nur über eines der verschiedenen Radarverfahren erfolgen. Bei sehr großen Entfernungen, wie zum Beispiel zu den Voyager 1 und Voyager 2 ist ein Primärradar aufgrund der riesigen Entfernungen (2· 1010 km) energetisch nicht mehr möglich. Gemäß der Radargrundgleichung wären irreale Antennendimensionen und Sendeleistungen nötig. Deshalb kann bei sehr großen Entfernungen nur das Sekundärradarverfahren Anwendung finden.[1][2]

Voyager hat für diese Zwecke einen speziellen Transponder an Bord. Eine Bodenstation sendet im S–Band auf 2,11 GHz das Abfragesignal (“Uplink”). Die Sendeleistung beträgt etwa 20 kW. (Das ist etwa das Zehnfache von dem, was in der Flugsicherung üblich ist.) Der Antennengewinn wird im S–Band mit fast 63 dBi angegeben. Eine einfache Impulsmodulation würde jedoch viel zu große Bandbreiten in der Sende-/ Empfangstechnik erfordern, damit die für die Laufzeitmessung relevanten Impulsflanken nicht verschliffen werden. Deshalb wird ein spezielles Impulsmuster ausgesendet, welches durch den Transponder nur in eine andere Frequenz umgesetzt und zurück gesendet wird. Der Transponder verarbeitet dieses Signal voll kohärent. Das heißt hier: die empfangene Uplink-Frequenz wird original und phasengetreu verwendet und nur in eine andere Frequenz umgesetzt. Das Umsetzungsverhältnis ist exakt 240/221, der Downlink erfolgt also auf etwa 2,3 GHz. Gleichzeitig wird auch in ein anderes Frequenzband umgesetzt: Das Umsetzungsverhältnis ist hier 11/3, der Downlink erfolgt also auch im X–Band auf etwa 8,42 GHz.[3] Die Antenne des Transponders hat einen Durchmesser von 3,7 m mit einem Antennengewinn von 36 dBi (S-Band) bzw. 48 dBi (X-Band). Die Sendeleistung beträgt nur 12 Watt.

In der Bodenstation wird die empfangene Transponderantwort mit der in einem Zeitraster einer Atomzeituhr gespeicherten Kopie des gesendeten Signals korreliert und so die genaue Laufzeit (plus der bekannten Reaktionszeit des Transponders) bestimmt. Auf diese Weise kann die Entfernung sehr genau bestimmt werden. Diese gemessene Entfernung galt jedoch nur für den Zeitpunkt der Transpondertätigkeit, da die Laufzeit der Signale schon im Bereich von mehr als einem Tag liegt und Voyager mit einer Geschwindigkeit von 62 140 km/h weiterfliegt.[4]

Ursprünglich war diese Antwort auf zwei verschiedenen Frequenzbändern gedacht, um die Einflüsse der Ionosphäre auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen korrigieren zu können. Später konnten damit aber auch die relativistische Zeitverzögerung (Shapiro-Verzögerung) für die Radarsignale mit einer sehr hohen Genauigkeit gemessen werden.[3]

Deep Space Navigation Network

Um auch nur einen einzelnen Satelliten zu vermessen, wird auf der Erde ein ganzes System von Antennen benötigt, das Deep Space (Navigation) Network (DSN). Die Antennen sind so verteilt, dass immer mindestens eine in genau die Richtung geschwenkt werden kann, aus der die Transponderantwort erwartet wird. Da die Laufzeiten so groß sind (derzeit 1,5 Tage) würde bei einer einzelnen großen Antenne die Wahrscheinlichkeit zu groß, dass durch die Erdrotation bei Ankunft der Transponderantwort sie sich gerade auf der dem Satelliten abgewandten Seite der Erdoberfläche befindet.

Sowie mehrere Abfragestationen oder mehrere Transponder im Einsatz sind, muss sämtliche Hardware standardisiert sein. Die Antennen der Abfragesysteme haben einen Durchmesser von 70 m und stehen in Goldstone (Kalifornien), in Madrid (Spanien) sowie in Canberra (Australien). Auch die Transponder sind standardisiert und werden zum Beispiel Small Deep Space Transponder (SDST) oder nur Deep Space Transponder (DST) genannt. Natürlich sind diese Transponder universell einsetztbar. Sie arbeiten nicht nur als Teil eines Sekundärradarverfahrens, sondern werden ebenfalls für die Kommunikation mit dem Satelliten genutzt. Nur diese Repeater-Funktion macht diesen Transponder auch für die Laufzeitmessung verwendbar.

Es wird als Trägerfrequenz ein sehr hohes Frequenzband gewählt (X–Band bis Ka–Band) damit die Antenne auch bei kleineren geometrischen Ausmaßen eine möglichst große Richtwirkung haben kann. Ältere Transponder sowie Transponder innerhalb des erdnahen Raums arbeiten auch im S–Band, da diese Frequenzen in der Erdatmosphäre eine geringere Dämpfung (etwa 1 dB) haben.

Auf der Seite der NASA Deep Space Network now werden die aktuellen Aktivitäten der jeweiligen Bodenstationen gezeigt. Dort wird zum Beispiel angegeben, dass die empfangene Leistung der Antwortsignale der Voyager-Sonden im Bereich von -160 dBm liegen.

Quellen:

  1. Udo Renner; Nikolaos Balteas; Joachim Nauck, ''Satellitentechnik: Eine Einführung'' Springer, Berlin, Heidelberg, 1988., ISBN 978-3-642-83149-2, S. 77 (online preview)
  2. A. Winton, J.-L. Gerner, P. Michel, & R. Morgan-Owen: ''The Transponder - A Key Element in ESA Spacecraft TTC Systems'' ESA Bulletin Nr. 86. Published May 1996. (online)
  3. Timothy P. Krisher, John D. Anderson, Anthony H. Taylor, “Voyager 2 Test of the Radar Time-delay Effect,” Astrophysical Journal, Part 1 (ISSN 0004-637X), vol. 373, June 1, 1991, p. 665-670. (online preview)
  4. “Where are the Voyagers?” see: NASA-Project