Die Bodenstationen

Die wissenschaftlichen Daten und die Kommandos zur Telekommunikation der Raumsonden werden von den NASA-Antennenkomplexen des Deep Space Network (DSN) und den neuen Antennen der ESA in Perth (Australien), sowie in Cebreros (Spanien) empfangen, um dann weiter prozessiert zu werden.
Interplanetare Raumflugkörper entfernen sich auf ihren oft recht komplizierten Flugbahnen viele hundert Millionen Kilometer von der Erde. Gleichzeitig ist die Größe eines Raumfahrzeugs aus technischen und finanziellen Gründen sehr begrenzt, so dass die Sende- und Empfangseinrichtungen an Bord nur Signale geringer Leistung in Richtung Erde schicken können. Deshalb ist der Aufwand zum Empfang auf der Erde um so größer. Bodenstation für derartige Missionen sind mit riesigen Satellitenschüsseln ausgestattet, um die kaum wahrnehmbaren Signale aus dem allgemeinen kosmischen Rauschen überhaupt herauspicken zu können. Besonders rauscharme Empfangssysteme verstärken das Signal und setzen es für die weitere Verarbeitung auf eine andere Trägerfrequenz um. Zur Unterdrückung des Eigenrauschens werden die Empfangssysteme auf 30 K, dies entspricht -243 °C, gekühlt.

Damit Daten auch über längere Zeit gesendet und empfangen werden können, ist bei der Bewegung der Antenne besonders hohe Präzision gefragt. Der Fehler bei der Nachführung der Antenne, der sogenannte „Tracking Error“, darf in Abhängigkeit von der Sendefrequenz nur wenige Tausendstel bis Hundertstel Grad betragen.

Zu den Bodenstationen gehören die neuen Antennen der ESA in Perth (Australien, 35 m) und in Cebreros (Spanien, 35 m) und auch das Deep Space Network (DSN) der NASA (34 m und 70 m) mit Antennenkomplexen in Californien, Spanien und Australien.  Wenn die Raumsonden für die Bodenstationen sichtbar sind und die Hochgewinn-Antenne (HGA) der Sonde zur Erde hin gerichtet ist, können die Entfernung und die Dopplerverschiebung der Trägerfrequenz und damit die radiale Geschwindigkeit der Raumsonden bestimmt werden.

Im Zwei-Weg-Modus überträgt die Bodenstation ein Uplinksignal im X-Band und empfängt gleichzeitig Radiosignale im X-Band und S-Band. Die Informationen, die aus den Messungen gewonnen werden, sind die Amplitude, Frequenz und Polarisation des Radiosignals und werden schließlich als Funktion der Lokalzeit der Bodenstation gespeichert.

Etwa anderthalb Autostunden nördlich von Perth an der Westküste Australiens liegt New Norcia. Dort stellte die ESA im Juni 2002 ihre neue 35 m-Bodenstation auf. Die betriebsbereite Antennenanlage wird vom European Space Operations Centre ESOC in Darmstadt betrieben. Das ESOC ist für den Betrieb aller wissenschaftlichen Missionen der ESA zuständig. Dazu verfügt es über ein Netzwerk verschiedener Bodenstationen in der ganzen Welt.

Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA unterhält bereits seit Beginn der Raumfahrt ein weltweites Kommunikationsnetzwerk, um mit ihren Raumsonden jenseits des Erde-Mond-Systems Kontakt zu halten. Das Deep Space Network (DSN) besteht aus drei Komplexen in Goldstone (Kalifornien), bei Madrid (Spanien) und bei Canberra (Australien). Diese sind so angeordnet, dass sie jeweils etwa 120 Längengrade voneinander entfernt sind, wodurch die NASA trotz der Erdrotation permanent Kontakt zu jeder beliebigen Raumsonde halten kann. Dazu wird die Kommunikation im Tagesverlauf von Station zu Station „weitergegeben“. Die gigantischen 70 m-Antennen des DSN werden im übrigen nicht nur zur Kommunikation mit Raumsonden wie Pioneer und Voyager, die sich schon weiter als Pluto von der Sonne entfernt haben, sondern auch für radioastronomische Forschungsvorhaben wie z.B. Asteroidenradar genutzt.