Un segmento terrestre consta de todos los elementos terrestres de un sistema de nave espacial utilizado por los operadores y el personal de apoyo, a diferencia del segmento espacial y el segmento de usuarios. [1] [2] : 1 El segmento terrestre permite la gestión de una nave espacial y la distribución de datos de carga útil y telemetría entre las partes interesadas en tierra. Los elementos principales de un segmento de suelo son:
- Estaciones terrestres (o terrestres) , que proporcionan interfaces de radio con naves espaciales [2] : 142
- Centros de control (u operaciones) de la misión , desde los que se gestionan las naves espaciales [3] : 20
- Redes de tierra , que conectan los otros elementos de tierra entre sí [2] : 142 [4]
- Terminales remotos , utilizados por personal de apoyo [2] : 142
- Instalaciones de prueba e integración de naves espaciales
- Instalaciones de lanzamiento [3] : 21
Estos elementos están presentes en casi todas las misiones espaciales, ya sean comerciales, militares o científicas. Pueden estar ubicados juntos o separados geográficamente, y pueden ser operados por diferentes partes. [5] [6] : 25 Algunos elementos pueden admitir varias naves espaciales simultáneamente. [7] : 480,481
Elementos
Estaciones terrestres
Las estaciones terrestres proporcionan interfaces de radio entre el espacio y los segmentos terrestres para telemetría, seguimiento y comando (TT&C), así como para la transmisión y recepción de datos de carga útil. [6] : 4 [8] [9] redes de seguimiento, tales como la NASA 's Red cercanos a la Tierra y la Red de Espacio , comunicaciones mango con múltiples naves espaciales a través de tiempo compartido . [3] : 22
El equipo de la estación terrestre se puede monitorear y controlar de forma remota , a menudo a través de interfaces en serie y / o IP . Por lo general, hay estaciones de respaldo desde las cuales se puede mantener el contacto por radio si hay un problema en la estación terrestre principal que la imposibilita para operar, como un desastre natural. Dichas contingencias se consideran en un plan de Continuidad de Operaciones .
Transmisión y recepción
Señales a ser en enlace ascendente a una nave espacial primero se debe extraer de la tierra los paquetes de red , codificado a banda base , y modulada , [10] típicamente en una frecuencia intermedia portadora (IF), antes de ser hasta convertidos- al asignado de frecuencia de radio de banda (RF) . Luego, la señal de RF se amplifica a alta potencia y se transporta a través de una guía de ondas a una antena para su transmisión. En climas más fríos, pueden ser necesarios calentadores eléctricos o sopladores de aire caliente para evitar la acumulación de hielo o nieve en el plato parabólico.
Las señales recibidas ("con enlace descendente") se pasan a través de un amplificador de bajo ruido (a menudo ubicado en el concentrador de la antena para minimizar la distancia que debe recorrer la señal) antes de ser convertidas a FI; estas dos funciones pueden combinarse en un convertidor reductor de bloque de bajo ruido . A continuación , la señal de FI se demodula y el flujo de datos se extrae mediante sincronización y decodificación de bits y tramas . [10] Los errores de datos, como los causados por la degradación de la señal , se identifican y corrigen cuando es posible. [10] El flujo de datos extraído se empaqueta o guarda en archivos para su transmisión en redes terrestres. Las estaciones terrestres pueden almacenar temporalmente la telemetría recibida para su posterior reproducción en los centros de control, a menudo cuando el ancho de banda de la red terrestre no es suficiente para permitir la transmisión en tiempo real de toda la telemetría recibida.
Una sola nave espacial puede hacer uso de múltiples bandas de RF para diferentes flujos de datos de telemetría, comando y carga útil , según el ancho de banda y otros requisitos.
Pases
La sincronización de los pases , cuando existe una línea de visión hacia la nave espacial, está determinada por la ubicación de las estaciones terrestres y por las características de la órbita o trayectoria de la nave espacial . [11] La Red Espacial utiliza satélites de retransmisión geoestacionarios para ampliar las oportunidades de pase sobre el horizonte.
Seguimiento y alcance
Las estaciones terrestres deben rastrear las naves espaciales para apuntar sus antenas correctamente, y deben tener en cuenta el desplazamiento Doppler de las frecuencias de RF debido al movimiento de la nave espacial. Las estaciones terrestres también pueden realizar distancias automáticas ; los tonos de distancia pueden multiplexarse con señales de mando y telemetría. Los datos de seguimiento y distancia de la estación terrestre se pasan al centro de control junto con la telemetría de la nave espacial, donde a menudo se utilizan para determinar la órbita.
Centros de control de misión
Los centros de control de la misión procesan, analizan y distribuyen la telemetría de las naves espaciales y emiten comandos , cargas de datos y actualizaciones de software a las naves espaciales. Para las naves espaciales tripuladas, el control de la misión gestiona las comunicaciones de voz y video con la tripulación. Los centros de control también pueden ser responsables de la gestión de la configuración y el archivo de datos . [7] : 483 Al igual que con las estaciones terrestres, normalmente hay instalaciones de control de respaldo disponibles para respaldar la continuidad de las operaciones.
Procesamiento de telemetría
Los centros de control utilizan la telemetría para determinar el estado de una nave espacial y sus sistemas. [3] : 485 El mantenimiento, el diagnóstico, la ciencia y otros tipos de telemetría pueden llevarse a cabo en canales virtuales separados . El software de control de vuelo realiza el procesamiento inicial de la telemetría recibida, que incluye:
- Separación y distribución de canales virtuales [3] : 393
- Orden de tiempo y verificación de huecos de las tramas recibidas (los huecos se pueden llenar ordenando una retransmisión)
- Descommutación de valores de parámetros, [10] y asociación de estos valores con nombres de parámetros llamados mnemónicos
- Conversión de datos brutos a valores calibrados (de ingeniería) y cálculo de parámetros derivados [7] : 483
- Verificación de límites y restricciones (que puede generar notificaciones de alerta) [3] : 479 [7] : 484
- Generación de pantallas de telemetría, que pueden ser tabulares, gráficas ( diagramas de parámetros entre sí o en el tiempo) o sinópticas (gráficos orientados a interfaces). [7] : 484
Se solicita una base de datos de naves espaciales proporcionada por el fabricante de naves espaciales para proporcionar información sobre el formato de las tramas de telemetría, las posiciones y frecuencias de los parámetros dentro de las tramas y sus nemotécnicos asociados, calibraciones y límites suaves y duros. [7] : 486 El contenido de esta base de datos, especialmente calibraciones y límites, puede actualizarse periódicamente para mantener la coherencia con el software integrado y los procedimientos operativos; estos pueden cambiar durante la vida de una misión en respuesta a actualizaciones , degradación del hardware en el entorno espacial y cambios en los parámetros de la misión. [12] : 399
Dominante
Los comandos enviados a la nave espacial se formatean de acuerdo con la base de datos de la nave espacial y se validan con la base de datos antes de transmitirse a través de una estación terrestre . Los comandos pueden emitirse manualmente en tiempo real o pueden ser parte de procedimientos automatizados o semiautomatizados. [7] : 485 Normalmente, los comandos recibidos con éxito por la nave espacial se reconocen en telemetría, [7] : 485 y se mantiene un contador de comandos en la nave espacial y en tierra para garantizar la sincronización. En ciertos casos, se puede realizar un control de bucle cerrado . Las actividades comandadas pueden pertenecer directamente a los objetivos de la misión o pueden ser parte de las tareas domésticas . Los comandos (y la telemetría) pueden estar encriptados para evitar el acceso no autorizado a la nave espacial o sus datos.
Los procedimientos de la nave espacial generalmente se desarrollan y prueban con un simulador de nave espacial antes de su uso con la nave espacial real. [13] : 488
Análisis y soporte
Los centros de control de misión pueden depender de subsistemas de procesamiento de datos "fuera de línea" (es decir, no en tiempo real ) para manejar tareas analíticas [3] : 21 [7] : 487 tales como:
- Determinación de órbitas y planificación de maniobras [14]
- Evaluación de conjunciones y planificación para evitar colisiones [7] : 478–479
- Planificación y programación de misiones [7] : 489–491
- Gestión de memoria integrada [15] : 247–249
- Análisis de tendencias a corto y largo plazo [3] : 21
- Planificación de trayectorias , en el caso de rovers planetarios
Se pueden proporcionar espacios físicos dedicados en el centro de control para ciertas funciones de apoyo a la misión, como la dinámica de vuelo y el control de la red , [3] : 475 o estas funciones pueden manejarse a través de terminales remotas fuera del centro de control. A medida que la potencia informática a bordo y la complejidad del software de vuelo han aumentado, existe una tendencia a realizar un procesamiento de datos más automatizado a bordo de la nave espacial . [16] : 2–3
Dotación de personal
Los centros de control pueden estar atendidos de forma continua o regular por controladores de vuelo . Personal es típicamente mayor durante las primeras fases de una misión, [3] : 21 y durante críticos procedimientos y períodos. [16] Cada vez con mayor frecuencia, los centros de control para naves espaciales sin tripulación pueden establecerse para operaciones "apagadas" (o automatizadas ), como un medio de controlar los costos. [16] El software de control de vuelo generalmente generará notificaciones de eventos importantes, tanto planificados como no planificados, en el segmento terrestre o espacial que pueden requerir la intervención del operador. [dieciséis]
Redes terrestres
Las redes terrestres manejan la transferencia de datos y la comunicación de voz entre diferentes elementos del segmento terrestre. [7] : 481–482 Estas redes a menudo combinan elementos LAN y WAN , de los cuales diferentes partes pueden ser responsables. Los elementos separados geográficamente pueden conectarse a través de líneas arrendadas o redes privadas virtuales . [7] : 481 El diseño de redes terrestres se rige por requisitos de confiabilidad , ancho de banda y seguridad .
La confiabilidad es una consideración particularmente importante para los sistemas críticos , donde el tiempo de actividad y el tiempo medio de recuperación son una preocupación primordial. Al igual que con otros aspectos del sistema de la nave espacial, la redundancia de los componentes de la red es el medio principal para lograr la confiabilidad requerida del sistema.
Las consideraciones de seguridad son vitales para proteger los recursos espaciales y los datos confidenciales. Los enlaces WAN a menudo incorporan protocolos de cifrado y cortafuegos para brindar seguridad a la información y la red . El software antivirus y los sistemas de detección de intrusos brindan seguridad adicional en los puntos finales de la red.
Terminales remotos
Los terminales remotos son interfaces en redes terrestres, separadas del centro de control de la misión, a las que pueden acceder los controladores de carga útil , analistas de telemetría, equipos de instrumentos y científicos y personal de apoyo , como administradores de sistemas y equipos de desarrollo de software . Pueden ser de solo recepción o pueden transmitir datos a la red terrestre.
Los terminales utilizados por los clientes de servicios , incluidos los ISP y los usuarios finales , se denominan colectivamente "segmento de usuarios" y, por lo general, se distinguen del segmento terrestre. Los terminales de usuario, incluidos los sistemas de televisión por satélite y los teléfonos por satélite, se comunican directamente con las naves espaciales, mientras que otros tipos de terminales de usuario dependen del segmento terrestre para la recepción, transmisión y procesamiento de datos.
Instalaciones de integración y prueba
Los vehículos espaciales y sus interfaces se ensamblan y prueban en instalaciones de integración y prueba (I&T). La I&T específica de la misión brinda la oportunidad de probar completamente las comunicaciones y el comportamiento tanto de la nave espacial como del segmento terrestre antes del lanzamiento. [7] : 480
Instalaciones de lanzamiento
Los vehículos se entregan al espacio a través de instalaciones de lanzamiento , que se encargan de la logística de los lanzamientos de cohetes. Las instalaciones de lanzamiento suelen estar conectadas a la red terrestre para transmitir la telemetría antes y durante el lanzamiento. A veces se dice que el propio vehículo de lanzamiento constituye un "segmento de transferencia", que puede considerarse distinto de los segmentos espacial y terrestre. [3] : 21
Costos
Los costos asociados con el establecimiento y operación de un segmento terrestre son muy variables, [17] y dependen de métodos contables. Según un estudio de la Universidad Tecnológica de Delft , [Nota 1] el segmento terrestre contribuye aproximadamente con el 5% del costo total de un sistema espacial. [18] Según un informe de la Corporación RAND sobre las misiones de naves espaciales pequeñas de la NASA, los costos de operación por sí solos contribuyen al 8% del costo de vida útil de una misión típica, con la integración y las pruebas en un 3,2% más, las instalaciones terrestres un 2,6% y las instalaciones terrestres ingeniería de sistemas 1,1%. [19] : 10
Los generadores de costos del segmento terrestre incluyen los requisitos impuestos a las instalaciones, hardware, software, conectividad de red, seguridad y personal. [20] Los costos de las estaciones terrestres, en particular, dependen en gran medida de la potencia de transmisión requerida, las bandas de RF y la idoneidad de las instalaciones preexistentes. [17] : 703 Los centros de control pueden estar muy automatizados como medio de controlar los costos de personal. [dieciséis]
- ^ Basado en un modelo descrito en Space Mission Analysis and Design , tercera edición, por James W. Wertz y Wiley J. Larson
Imagenes
Antena perteneciente a la Deep Space Network
Centro de control de operaciones del telescopio espacial en Goddard Space Flight Center , durante el mantenimiento del telescopio espacial Hubble
Integración de hardware de vuelo en una instalación de JAXA en Tsukuba , Japón
Sitio de lanzamiento fuera de servicio en el Centro Espacial de Guayana
Ver también
- Comité Consultivo de Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS), que mantiene estándares para telemetría y formato de comandos.
- Servicio de radiocomunicaciones , tal como lo define el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT
- Subsistema de manejo de datos a bordo
Referencias
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