Наземный сегмент - Ground segment

Упрощенная система космического корабля. Пунктирные оранжевые стрелки обозначают радиосвязь; сплошные черные стрелки обозначают наземные сетевые связи. (Пользовательские терминалы обычно полагаются только на один из указанных путей для доступа к ресурсам космического сегмента.)

Объекты наземного сегмента по всему миру

Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космических аппаратов системы , используемых операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от космического сегмента и пользовательского сегмента. Наземный сегмент позволяет управлять космическим кораблем и распространять данные о полезной нагрузке и телеметрию среди заинтересованных сторон на земле. Основными элементами наземного сегмента являются:

Наземные (или земные) станции , обеспечивающие радиоинтерфейс с космическими кораблями.
Центры управления полетами (или оперативные центры) , из которых осуществляется управление космическими аппаратами.
Сети заземления , которые соединяют другие элементы заземления друг с другом.
Удаленные терминалы , используемые обслуживающим персоналом
Средства интеграции и испытания космических аппаратов
Стартовые объекты

Эти элементы присутствуют почти во всех космических полетах, будь то коммерческие, военные или научные. Они могут быть расположены вместе или разделены географически, и ими могут управлять разные стороны. Некоторые элементы могут поддерживать одновременно несколько космических аппаратов.

Элементы

Наземные станции

Блюда радио на Embratel земной станции в Тангуа , Бразилия

Наземные станции обеспечивают радиоинтерфейсы между космическим и наземным сегментами для телеметрии, слежения и управления (TT&C), а также для передачи и приема данных полезной нагрузки. Отслеживание сеть, такие как НАСА «s околоземного сеть и космическая сеть , рукоятки связь с множественным кораблем через разделение времени .

Оборудование наземной станции может контролироваться и управляться дистанционно , часто через последовательные и / или IP- интерфейсы. Обычно существуют резервные станции, с которыми можно поддерживать радиосвязь, если на основной наземной станции есть проблема, которая делает ее неработоспособной, например, стихийное бедствие. Такие непредвиденные обстоятельства учитываются в плане непрерывности операций .

Передача и прием

Сигналы, которые должны быть переданы на космический корабль, должны сначала быть извлечены из пакетов наземной сети , закодированы в основной полосе частот и модулированы , как правило, на несущей промежуточной частоты (ПЧ) перед преобразованием с повышением частоты в назначенный диапазон радиочастот (РЧ). Затем РЧ-сигнал усиливается до высокой мощности и переносится по волноводу на антенну для передачи. В более холодном климате могут потребоваться электрические обогреватели или нагнетатели горячего воздуха, чтобы предотвратить накопление льда или снега на параболической тарелке.

Принятые («нисходящие») сигналы проходят через малошумящий усилитель (часто расположенный в концентраторе антенны, чтобы минимизировать расстояние, которое должен пройти сигнал) перед преобразованием с понижением частоты в ПЧ; эти две функции могут быть объединены в малошумящем блочном преобразователе с понижением частоты . Затем сигнал IF демодулируется , а поток данных извлекается с помощью битовой и кадровой синхронизации и декодирования. Ошибки данных, например, вызванные ухудшением сигнала , по возможности выявляются и исправляются . Затем извлеченный поток данных пакетируется или сохраняется в файлы для передачи по наземным сетям. Наземные станции могут временно сохранять принятую телеметрию для последующего воспроизведения в центрах управления, часто когда пропускная способность наземной сети недостаточна для передачи всей принятой телеметрии в реальном времени.

Один космический корабль может использовать несколько радиочастотных диапазонов для различных потоков данных телеметрии, команд и полезной нагрузки , в зависимости от полосы пропускания и других требований.

Проходит

Время прохождения , когда космический корабль находится в прямой видимости, определяется расположением наземных станций и характеристиками орбиты или траектории космического корабля . Космическая сеть использует геостационарные спутники-ретрансляторы для расширения возможностей пролета за горизонт.

Отслеживание и ранжирование

Наземные станции должны отслеживать космический корабль, чтобы правильно навести свои антенны , и должны учитывать доплеровское смещение радиочастот из-за движения космического корабля. Наземные станции также могут выполнять автоматическое определение дальности ; тональные сигналы дальности могут быть мультиплексированы с сигналами команд и телеметрии. Данные наземной станции слежения и дальности передаются в центр управления вместе с телеметрией космического корабля, где они часто используются для определения орбиты.

Центры управления полетами

Центр управления в Лаборатории реактивного движения НАСА

Центры управления полетами обрабатывают, анализируют и распространяют телеметрию космических аппаратов , а также выдают команды , загружают данные и обновляют программное обеспечение космических аппаратов. Для пилотируемых космических кораблей центр управления полетами управляет голосовой и видеосвязью с экипажем. Центры управления также могут нести ответственность за управление конфигурацией и архивирование данных . Как и в случае с наземными станциями, обычно имеются резервные средства управления, обеспечивающие непрерывность работы.

Обработка телеметрии

Центры управления используют телеметрию для определения статуса космического корабля и его систем. Хозяйственная, диагностическая, научная и другие виды телеметрии могут осуществляться по отдельным виртуальным каналам . Программное обеспечение управления полетом выполняет первичную обработку полученной телеметрии, в том числе:

Разделение и раздача виртуальных каналов
Упорядочение по времени и проверка пропусков полученных кадров (пропуски могут быть заполнены командой на повторную передачу)
Декоммутация значений параметров и ассоциация этих значений с именами параметров, называемая мнемоникой.
Преобразование исходных данных в откалиброванные (инженерные) значения и расчет производных параметров
Проверка пределов и ограничений (которая может генерировать уведомления о предупреждениях)
Создание телеметрических дисплеев, которые могут быть табличными, графическими ( графики параметров друг относительно друга или во времени) или синоптическими (ориентированная на интерфейс графика).

База данных космических аппаратов, предоставляемая производителем космических аппаратов, предназначена для предоставления информации о форматировании кадра телеметрии, положениях и частотах параметров в кадрах, а также связанной с ними мнемонике, калибровках, а также мягких и жестких пределах. Содержимое этой базы данных - особенно калибровки и пределы - может периодически обновляться для обеспечения согласованности с бортовым программным обеспечением и рабочими процедурами; они могут измениться в течение срока действия миссии в ответ на обновления , ухудшение оборудования в космической среде и изменения параметров миссии.

Командующий

Команды, отправляемые на космический аппарат, форматируются в соответствии с базой данных космических аппаратов и проверяются по базе данных перед передачей через наземную станцию . Команды могут подаваться вручную в режиме реального времени или могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур. Обычно команды, успешно полученные космическим кораблем, подтверждаются телеметрией, и на космическом корабле и на земле поддерживается счетчик команд для обеспечения синхронизации. В некоторых случаях может выполняться управление с обратной связью . Действия под командованием могут иметь прямое отношение к целям миссии или могут быть частью домашнего хозяйства . Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованы для предотвращения несанкционированного доступа к космическому кораблю или его данным.

Процедуры космического корабля обычно разрабатываются и тестируются на имитаторе космического корабля перед использованием с реальным космическим кораблем.

Анализ и поддержка

Центры управления полетами могут полагаться на подсистемы обработки данных в автономном режиме (т.е. не в режиме реального времени ) для решения таких аналитических задач, как:

Определение орбиты и планирование маневра
Оценка стыковки и планирование предотвращения столкновений
Планирование и составление расписания миссий
Встроенное управление памятью
Анализ краткосрочных и долгосрочных тенденций
Планирование пути в случае планетоходов

Выделенные физические пространства могут быть предоставлены в центре управления для определенных ролей поддержки миссии, таких как динамика полета и управление сетью , или эти роли могут выполняться через удаленные терминалы за пределами центра управления. По мере роста вычислительной мощности на борту и сложности программного обеспечения для полета на борту космического корабля наблюдается тенденция к более автоматизированной обработке данных .

Кадровое обеспечение

Центры управления могут постоянно или регулярно укомплектовываться авиадиспетчерами . Укомплектованность персоналом обычно наиболее высока на ранних этапах миссии, а также во время критических процедур и периодов. Все чаще центры управления беспилотными космическими кораблями могут быть настроены для работы в режиме «без света» (или в автоматическом режиме ) в качестве средства контроля затрат. Программное обеспечение управления полетом обычно генерирует уведомления о значительных событиях - как запланированных, так и незапланированных - в наземном или космическом сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора.

Наземные сети

Наземные сети обеспечивают передачу данных и голосовую связь между различными элементами наземного сегмента. Эти сети часто объединяют элементы LAN и WAN , за которые могут нести ответственность разные стороны. Территориально разнесенные элементы могут быть подключены через выделенные линии или виртуальные частные сети . Дизайн наземных сетей определяется требованиями к надежности , пропускной способности и безопасности .

Надежность является особенно важным фактором для критически важных систем , при этом время безотказной работы и среднее время восстановления имеют первостепенное значение. Как и в случае с другими аспектами системы космического корабля, резервирование сетевых компонентов является основным средством достижения требуемой надежности системы.

Соображения безопасности жизненно важны для защиты космических ресурсов и конфиденциальных данных. Каналы WAN часто включают протоколы шифрования и брандмауэры для обеспечения безопасности информации и сети . Антивирусное программное обеспечение и системы обнаружения вторжений обеспечивают дополнительную безопасность на конечных точках сети.

Удаленные терминалы

Удаленные терминалы - это интерфейсы в наземных сетях, отдельные от центра управления полетами, к которым могут получить доступ контроллеры полезной нагрузки , аналитики телеметрии, инструментальные и научные группы, а также вспомогательный персонал, такой как системные администраторы и группы разработчиков программного обеспечения . Они могут быть только для приема или могут передавать данные в наземную сеть.

Терминалы, используемые потребителями услуг , включая интернет-провайдеров и конечных пользователей , вместе называются «пользовательским сегментом» и обычно отличаются от наземного сегмента. Пользовательские терминалы, включая системы спутникового телевидения и спутниковые телефоны, напрямую взаимодействуют с космическими аппаратами, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на наземный сегмент для приема, передачи и обработки данных.

Средства интеграции и тестирования

Космические аппараты и их интерфейсы собираются и тестируются на установках интеграции и тестирования (ИТ). I&T для конкретных задач дает возможность полностью протестировать связь и поведение как космического корабля, так и наземного сегмента перед запуском.

Стартовые объекты

Транспортные средства доставляются в космос через стартовые комплексы , которые занимаются логистикой запусков ракет. Стартовые средства обычно подключаются к наземной сети для ретрансляции телеметрии до и во время запуска. Ракета - носитель сам по себе иногда говорят, составляет «сегмент передачи», который может рассматриваться как отличный от пространства и наземных сегментов.

Расходы

Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно варьируются и зависят от методов учета. Согласно исследованию Делфтского технологического университета , наземный сегмент составляет около 5% от общей стоимости космической системы. Согласно отчету корпорации RAND о миссиях НАСА для малых космических аппаратов, одни только эксплуатационные расходы составляют 8% от стоимости срока службы типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземное оборудование - 2,6%, а наземное проектирование систем - 1,1. %.

Факторы, влияющие на стоимость наземного сегмента, включают требования, предъявляемые к помещениям, оборудованию, программному обеспечению, возможности подключения к сети, безопасности и персоналу. Затраты на наземные станции, в частности, в значительной степени зависят от требуемой мощности передачи, радиочастотного диапазона (ов) и пригодности ранее существовавших средств. Центры управления могут быть в высокой степени автоматизированы как средство контроля затрат на персонал.

Картинки

Антенна, принадлежащая сети Deep Space
Центр управления операциями космического телескопа в Центре космических полетов Годдарда , во время обслуживания космического телескопа Хаббл
Интеграция летного оборудования на объекте JAXA в Цукубе , Япония
Списанная стартовая площадка в Космическом центре Гвианы