Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космических аппаратов системы , используемых операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от космического сегмента и пользовательского сегмента. [1] [2] : 1 Наземный сегмент позволяет управлять космическим кораблем, а также распространять данные о полезной нагрузке и телеметрию среди заинтересованных сторон на земле. Основными элементами наземного сегмента являются:
- Наземные (или земные) станции , обеспечивающие радиоинтерфейсы с космическими аппаратами [2] : 142
- Центры управления полетами (или оперативные центры) , из которых осуществляется управление космическими аппаратами [3] : 20
- Сети заземления , которые соединяют другие элементы заземления друг с другом [2] : 142 [4]
- Удаленные терминалы , используемые обслуживающим персоналом [2] : 142
- Средства интеграции и испытания космических аппаратов
- Стартовые средства [3] : 21
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. [5] [6] : 25 Некоторые элементы могут поддерживать одновременно несколько космических аппаратов. [7] : 480 481
Элементы
Наземные станции
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. [6] : 4 [8] [9] Сети слежения, такие как НАСА «s околоземного сеть и космическая сеть , рукоятки связь с множественным кораблем через разделение времени . [3] : 22
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 быть сначала извлечены из пакетов наземной сети , закодированы в основной полосе частот и модулированы , [10] обычно на несущей промежуточной частоты (ПЧ), перед преобразованием с повышением частоты в назначенную полосу 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. [10] Ошибки данных, например, вызванные ухудшением сигнала , идентифицируются и исправляются там, где это возможно. [10] Извлеченный поток данных затем 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 . [11] 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 ; тоны 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
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 . [7] : 483 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. [3] : 485 Хозяйственная, диагностическая, научная и другие виды телеметрии могут передаваться по отдельным виртуальным каналам . Программное обеспечение управления полетом выполняет первичную обработку полученной телеметрии, в том числе:
- Разделение и раздача виртуальных каналов [3] : 393
- Упорядочение по времени и проверка пропусков полученных кадров (пропуски могут быть заполнены командой на повторную передачу)
- Декоммутация значений параметров [10] и ассоциация этих значений с именами параметров, называемая мнемоникой.
- Преобразование исходных данных в калиброванные (инженерные) значения и расчет производных параметров [7] : 483
- Проверка пределов и ограничений (которая может генерировать уведомления о предупреждениях) [3] : 479 [7] : 484
- Создание телеметрических дисплеев, которые могут быть табличными, графическими ( графики параметров друг относительно друга или во времени) или синоптическими (ориентированная на интерфейс графика). [7] : 484
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. [7] : 486 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. [12] : 399
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. [7] : 485 Обычно команды, успешно полученные космическим кораблем, подтверждаются в телеметрии, [7] : 485, 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. [13] : 488
Анализ и поддержка
Центры управления полетами могут полагаться на "автономные" (т.е. не в реальном времени ) подсистемы обработки данных для решения аналитических задач [3] : 21 [7] : 487, таких как:
- Определение орбиты и планирование маневра [14]
- Оценка стыковки и планирование предотвращения столкновений [7] : 478–479.
- Планирование и расписание миссий [7] : 489–491.
- Встроенное управление памятью [15] : 247–249
- Анализ краткосрочных и долгосрочных тенденций [3] : 21
- 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 [3] : 475, 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 . [16] : 2–3
Кадровое обеспечение
Центры управления могут постоянно или регулярно укомплектовываться летными диспетчерами . Укомплектованность персоналом обычно наиболее высока на ранних этапах миссии [3] : 21, а также во время критических процедур и периодов. [16] 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. [16] 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. [16]
Наземные сети
Наземные сети обеспечивают передачу данных и голосовую связь между различными элементами наземного сегмента. [7] : 481–482 Эти сети часто объединяют элементы LAN и WAN , за которые могут нести ответственность разные стороны. Географически разнесенные элементы могут быть соединены через выделенные линии или виртуальные частные сети . [7] : 481 Проектирование 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, обмениваются данными напрямую 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. [7] : 480
Стартовые объекты
Транспортные средства доставляются в космос через стартовые комплексы , которые обеспечивают логистику 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. [3] : 21
Расходы
Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно варьируются [17] и зависят от методов учета. Согласно исследованию Делфтского технологического университета , [Примечание 1] наземный сегмент составляет примерно 5% от общей стоимости космической системы. [18] Согласно отчету корпорации RAND о миссиях НАСА малых космических аппаратов, одни только эксплуатационные расходы составляют 8% от стоимости срока службы типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземные средства - 2,6%, а наземные системная инженерия 1,1%. [19] : 10
Факторы, влияющие на стоимость наземного сегмента, включают требования, предъявляемые к помещениям, оборудованию, программному обеспечению, возможности подключения к сети, безопасности и персоналу. [20] Затраты на наземные станции, в частности, в значительной степени зависят от требуемой мощности передачи, диапазона (ов) РЧ и пригодности ранее существовавших средств. [17] : 703 Центры управления могут быть в высокой степени автоматизированы как средство контроля затрат на персонал. [16]
- ↑ На основе модели, описанной втретьем издании « Анализ и проектирование космических миссий » Джеймса У. Верца и Уайли Дж. Ларсона.
Изображений
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
Смотрите также
- Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS), который поддерживает стандарты телеметрии и форматирования команд.
- Служба радиосвязи , как это определено Регламентом радиосвязи МСЭ
- Бортовая подсистема обработки данных
Рекомендации
- ^ "Наземный сегмент" . SKY Perfect JSAT Group International. Архивировано из оригинального 20 сентября 2015 года . Проверено 5 ноября 2015 года .
- ^ а б в г Эльберт, Брюс (2014). Справочник наземного сегмента спутниковой связи и земной станции (2-е изд.). Артек Хаус. п. 141. ISBN. 978-1-60807-673-4.
- ^ Б с д е е г ч я J K Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Халльманн, Вилли, ред. (2008). Справочник по космической технике . Вайли . ISBN 978-0470742419. Проверено 30 декабря 2015 года .
- ^ «Наземный сегмент ДЗЗ» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 года .
- ^ «Обзор наземного сегмента» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 года .
- ^ а б Рейнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проектирования наземного сегмента для миссий наблюдения Земли» (PDF) . Летняя школа Альпбаха.
- ^ Б с д е е г ч я J к л м н Шатель, Франк (2011). «Наземный сегмент». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
- ^ «Радиочастотные компоненты» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 года .
- ^ «Земные станции / телепорты - хаб» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 года .
- ^ а б в г «Глава 10: Телекоммуникации». Основы космических полетов . Лаборатория реактивного движения НАСА . Проверено 28 декабря 2015 .
- ^ Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые созвездия: орбитальные типы, использование и связанные с ними факты (PDF) . Летняя сессия ИСУ . Проверено 17 ноября 2015 года .
- ^ Шериф, Рэй Э .; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
- ^ Fillery, Nigel P .; Стэнтон, Дэвид (2011). «Телеметрия, управление, обработка и обработка данных». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124.
- ^ «Глава 13: Навигация космического корабля». Основы космических полетов . Лаборатория реактивного движения НАСА . Проверено 28 декабря 2015 .
- ^ Улиг, Томас; Селлмайер, Флориан; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Операции космических аппаратов . Springer-Verlag. ISBN 978-3-7091-1802-3. Проверено 28 декабря 2015 .
- ^ а б в г д «Оперативный персонал» . Документы по передовой практике спутниковых операций . Технический комитет по космическим операциям и поддержке, Американский институт аэронавтики и астронавтики . Проверено 28 декабря 2015 .
- ^ а б Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science + Business Media . ISBN 1461530067. Проверено 8 января +2016 .
- ^ Зандберген, BTC, «Стоимость системы ПЗУ», Оценка стоимости элементов космической системы, версия 1.02 , заархивировано из оригинала (таблица Excel) 26 января 2016 г. , получено 8 января 2016 г.
- ^ де Век, Оливье; де Неввиль, Ричард; Чанг, Даррен; Шез, Матье. «Технический успех и экономический провал». Коммуникационные спутниковые созвездия (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинального (PDF) на 2005-05-09 . Проверено 12 января 2016 .
- ^ Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель стоимости земли (G-COST) для военных систем». Международная конференция по спутниковым системам связи AIAA . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421. DOI : 10.2514 / 6.1996-1111 .