Bodensegment

Definition

Das Bodensegment umfasst sämtliche Einrichtungen auf der Erde, die für den Betrieb eines Raumfahrzeugs erforderlich sind: Antennen und Funkgeräte, das verbindende Datennetzwerk, die Software zur Überflugplanung, Rahmendekodierung und Telemetriearchivierung sowie das Betriebsteam selbst. Bei kleinen Missionen ist es häufig jener Teil, den Entwicklungsteams am stärksten unterschätzen – obwohl jedes einzelne Byte der Mission durch diese Kette laufen muss.

Bodenstationen und Netzwerke

Eine typische Amateurfunk-Bodenstation für einen UHF-PocketQube kombiniert eine Kreuz-Yagi-Antenne auf einem Azimut-Elevations-Rotor, einen rauscharmen Vorverstärker (Low-Noise Amplifier, LNA) direkt am Mast, ein Software-Defined Radio (SDR) sowie einen Rechner, der die Antenne anhand aktueller Bahnelemente nachführt und den Empfänger fortlaufend auf die Doppler-Verschiebung abstimmt. Rundstrahlantennen wie Quadrifilar-Helix- oder Drehkreuzantennen (Turnstiles) kommen ohne Rotor aus, büßen dafür jedoch rund 11 dB Antennengewinn ein.

Da keine einzelne Bodenstation einen Satelliten im niedrigen Erdorbit lange im Blickfeld behält, stützen sich Missionen in den Amateurfunkbändern auf Stationsnetzwerke. SatNOGS (Satellite Networked Open Ground Station), ein Projekt der Libre Space Foundation, vernetzt Hunderte ehrenamtlicher Stationen über einen offenen Zeitplaner und eine zentrale Datenbank[1]. Für jede Beobachtung archiviert das System ein Wasserfallspektrum des empfangenen Signals, eine Audioaufzeichnung, demodulierte Datenrahmen und – sofern ein passender Decoder hinterlegt ist – die aufgeschlüsselten Telemetriewerte[2]. Offene Demodulatoren wie gr-satellites[3] und deklarative, in Kaitai Struct formulierte Paketdecoder[4] ermöglichen es jedermann, diese Aufzeichnungen in auswertbare Messreihen zu überführen.

Das Bodensegment von Grizu-263A

Grizu-263A wurde von der Bodenstation der Zonguldak Bülent Ecevit Universität (ZBEÜ) aus betrieben – gelistet als SatNOGS-Station 1184 (Maidenhead-Locator KN51vk, 41,452° N, 31,762° O, 120 m Höhe, 10° Elevationsmaske) –, die im Dezember 2019 durch den Empfang von KISS-gerahmter Telemetrie des CubeSats CHOMPTT in Betrieb genommen worden war[5]. Lizenzierte Funkamateure betreuten die studentischen Operatoren mit Unterstützung der nationalen Amateurfunksatellitenvereinigung TAMSAT. Da die Telemetrieformate unverschlüsselt veröffentlicht wurden und ein zugehöriger Kaitai-Decoder in der SatNOGS-Datenbank alle 31 Telemetriefelder automatisch aufschlüsselte[6], trugen Stationen aus aller Welt über 21 Monate hinweg Empfangsdaten bei.

Empfindlichkeit der Bodenstation

Die charakteristische Gütezahl einer Empfangsstation ist das Verhältnis $G/T$ aus Antennengewinn und Systemrauschtemperatur. Gemäß der Friis-Formel für rauschende Vierpolkaskaden[7] verhindert ein direkt an der Antenne montierter Vorverstärker (LNA), dass die Kabeldämpfung der Koaxialleitung mit vollem Gewicht in die Systemrauschtemperatur eingeht:

Empfangskette	Gewinn (dBi)	Systemtemperatur (K)	G/T (dB/K)	Marge bei 30° (dB)	Kleinste nutzbare Elevation
Crossed Yagi, LNA at the mast, 20 m of low-loss cable	13	200	−10,0	+7,1(positive Marge)	5°
Crossed Yagi, LNA indoors after the same cable	13	366	−12,6	+4,5(positive Marge)	13°
Crossed Yagi, no LNA	13	1.607	−19,1	−2,0(Verbindung schließt nicht)	42°
Omnidirectional (QFH or turnstile), LNA at the antenna	2	370	−23,7	−6,6(Verbindung schließt nicht)	Nie
Omnidirectional, no LNA	2	1.463	−29,7	−12,5(Verbindung schließt nicht)	Nie

Friis-Kaskade mit angenommenen Antennentemperaturen von 150 K (Yagi) und 300 K (Rundstrahler).

Der Himmel ist im UHF-Bereich zwar deutlich ruhiger als auf Kurzwelle, aber keineswegs rauschfrei: Galaktisches Hintergrundrauschen und zivilisatorische Störnebel erhöhen die Antennenrauschtemperatur, insbesondere in städtischer Umgebung[8]. Der Artikel zur G/T-Berechnung rechnet diese Kaskade Glied für Glied durch.

Kontakthäufigkeit und Überflugdauer

Auf einer kreisförmigen sonnensynchronen Bahn hängen Anzahl und Dauer der täglichen Überflüge in erster Linie von der geografischen Breite der Bodenstation ab:

Stationsbreite (°)	Überflüge pro Tag	Kontakt pro Tag (min)	Mittlerer Überflug (min)	Längste Lücke (h)
0	2,4	15	6,1	11,8
20	2,9	17	5,8	11,9
41,45	3,5	21	6,0	13,0
60	5,5	32	5,9	11,3
78,2	11,0	71	6,5	9,5

10-Tage-Propagation mit Erdrotation. 41,45° ist die Breite der ZBEÜ-Station (Grizu-263A); 78,2° jene von Spitzbergen.

Stationen in mittleren Breiten erhalten jeweils einige Überflüge am Morgen und am Abend, getrennt durch rund halbtägige Kontaktlücken. Polnahe Stationen sehen hingegen nahezu jeden Umlauf, weshalb kommerzielle Bodenstationsnetzwerke ihre Antennen bevorzugt in hohen Breiten errichten. Der längste Überflug eines Satelliten in 525 km Höhe dauert rund 12 Minuten über dem mathematischen Horizont und 7,7 Minuten oberhalb einer 10°-Elevationsmaske.

• Maximalelevation 90°
• Maximalelevation 45°
• Maximalelevation 20°
• Maximalelevation 10°

Daten als Tabelle anzeigen

Zeit ab größter Annäherung (min)	Maximalelevation 90°	Maximalelevation 45°	Maximalelevation 20°	Maximalelevation 10°
−6	—	—	—	—
−4	9,0	8,2	5,1	1,7
−2	27,1	23,3	14,0	7,2
0	90,0	45,0	20,0	10,0
2	27,1	23,3	14,0	7,2
4	9,0	8,2	5,1	1,7
6	—	—	—	—

Doppler-Verschiebung und Antennennachführung

Die Trägerfrequenz verschiebt sich bei 437 MHz während eines Überflugs um bis zu ±10 kHz, wobei die Änderungsrate am Punkt der größten Annäherung (TCA) am höchsten ist; genau dort müssen Richtantennen auch am schnellsten geschwenkt werden, was bei zenitnahen Überflügen und langsamen Rotoren zu einem kurzzeitigen Nachführverlust (Keyhole-Effekt) führen kann. Der Artikel zur Doppler- und Überfluggeometrie quantifiziert beide Effekte.

Bahnbestimmung

Bodenstationen richten ihre Antennen und Empfänger anhand von Zwei-Zeilen-Bahnelementen (Two-Line Elements, TLEs) aus, die über den US-Weltraumkatalog verteilt werden. Bei leichten Raumfahrzeugen in niedrigen Bahnen wie PocketQubes nimmt die Genauigkeit der TLEs zwischen zwei Aktualisierungen spürbar ab, da sich die Bremswirkung der Hochatmosphäre schneller ändert, als die Bahnelemente nachgeführt werden[9] – was sich in den Wasserfalldiagrammen als wachsender Frequenzversatz äußert. Eine Anpassung (Fitting) der gemessenen Doppler-Kurven einzelner Überflüge verfeinert die Bahnparameter und hilft nach Massenausstößen bei der eindeutigen Objektzuordnung[5].

Wissenschaftlicher Nutzen offener Telemetriedaten

Ein Raumfahrzeug, das über Monate hinweg offen dekodierbare Telemetrie abstrahlt, hinterlässt ein reichhaltiges öffentliches Datenarchiv. Die PocketQube-Übersichtsarbeit fasst zusammen, welche Auswertungen sich daraus gewinnen lassen[5]:

• Bahnbestimmung und Identifizierung. Das Anpassen der Doppler-Kurven einzelner Überflüge verbessert die Bahnlösung und ordnet Funksignale eindeutig den katalogisierten Objekten zu.
• Rotationsrate. Die Periodizität des Signalschwunds (Fading) in den Audioaufzeichnungen liefert einen funkbasierten Schätzwert für die Drehrate, der sich mit der Gyroskop-Telemetrie und der vorhergesagten passiv-magnetischen Dämpfung abgleichen lässt.
• Groblage. Die Ströme der einzelnen Solarpaneele wirken als grobe Sonnensensoren; zusammen mit einem auf seinen Offset kalibrierten Magnetometer[10] liefern Zweivektor-Verfahren eine Lageschätzung im Orbit.
• Degradation. Langzeittrends der Solarpanelströme, Busspannungen und Temperaturen quantifizieren die Alterung des Energiesystems und die thermische Belastung.
• Bahnabstieg. Die Zeitreihe der TLE-Daten schließt in Verbindung mit Weltraumwetter-Indizes den Kreis zwischen Lebensdauerprognose und realem Wiedereintritt, wie der Eintrag zu Grizu-263A demonstriert.

Personal und Betriebsabläufe

Der Betrieb einer Mission in den Amateurfunkbändern erfordert lizenzierte Operatoren, veröffentlichte Frequenz- und Rahmenspezifikationen, ein zuverlässiges Fernabschaltkommando für den Sender sowie einen Schichtplan, der auch Prüfungsphasen und Semesterferien übersteht. Überflugplanung, Prozeduren für Systemanomalien und ein lückenloses Kommandologbuch gehören vor dem Start in ein schriftliches Betriebshandbuch – nicht erst nach dem ersten stummen Überflug.