Наземный сегмент

Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космической системы , используемой операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от сегмента пространства и пользовательского сегмента. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^: 1 Земной сегмент обеспечивает управление космическим кораблем и распределение данных о полезной нагрузке и телеметрии среди заинтересованных сторон на местах. Основными элементами сегмента земли являются:

Земные (или землю) станции , которые обеспечивают радиоприемники с космическим кораблем ^{[ 2 ]}^: 142
Центры контроля (или операции) , из которых управляются космические космические корабли ^{[ 3 ]}^: 20
Отдаленные терминалы , используемые вспомогательным персоналом ^{[ 2 ]}^: 142
космического корабля Интеграция и тестовые средства
Запуск ^{[ 3 ]}^: 21
Наземные сети , которые позволяют общаться между другими элементами наземных элементов ^{[ 2 ]}^: 142^{[ 4 ]}

Эти элементы присутствуют почти во всех космических миссиях, будь то коммерческие , военные или научные . Они могут быть расположены вместе или отделены географически, и они могут управляться разными сторонами. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^: 25 Некоторые элементы могут поддерживать несколько космических кораблей одновременно. ^{[ 7 ]}^{: 480, 481}

Элементы

Наземные станции

Наземные станции обеспечивают радиопостояние между сегментами пространства и заземления для телеметрии, отслеживания и команды (TT & C), а также передачи и приема данных о полезной нагрузке. ^{[ 6 ]}^: 4^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Отслеживание сети, такие как NASA , близкая сеть Земли и космическая сеть , обрабатывают связь с несколькими космическими кораблями за счет обмена времени . ^{[ 3 ]}^: 22

Оборудование наземной станции может контролироваться и управлять дистанционно . Часто существуют резервные станции, из которых можно поддерживать радиоприемник, если на первичной наземной станции возникает проблема, которая делает его неспособным работать, например, стихийное бедствие. Такие непредвиденные обстоятельства рассматриваются в непрерывности плана операций .

Передача и прием

Сигналы, которые должны быть перевернуты в космический корабль, должны сначала быть извлечены из заземляющих сетевых пакетов , закодированных на базовую полосу и модулированные , ^{[ 10 ]} Обычно на промежуточную частоту (IF) носитель, прежде чем преодолевать до назначенной радиочастотной полосы (RF). Затем радиочастотный сигнал усиливается до высокой мощности и переносит через волновод до антенны для передачи. В более холодном климате электрические обогреватели или воздуходувки для горячего воздуха могут быть необходимы для предотвращения накопления льда или снега на параболическом блюде .

Полученные («нисходящие») сигналы пропускаются через усилитель с низким шумом (часто расположенный в антеннном центре, чтобы минимизировать расстояние, которое должен пройти сигнал), прежде чем преодолевать до IF; Эти две функции могут быть объединены в низкому блоке . Сигнал IF затем демодулируется , а поток данных извлекается с помощью битовой и синхронизации и декодирования кадров. ^{[ 10 ]} Ошибки данных, такие как ошибки, вызванные деградацией сигнала , идентифицируются, где это возможно. ^{[ 10 ]} Затем извлеченный поток данных упаковывается или сохраняется в файлах для передачи в заземленных сетях. Наземные станции могут временно хранить полученную телеметрию для последующего воспроизведения центров управления, часто, когда пропускная способность наземной сети недостаточно, чтобы обеспечить передачу в реальном времени всей полученной телеметрии. Они могут поддерживать устойчивую к задержке сеть .

Один космический корабль может использовать несколько радиочастотных полос для различных потоков данных телеметрии, команды и полезной нагрузки , в зависимости от пропускной способности и других требований.

Проходы

Время проходов , когда существует линия зрень в космический корабль, определяется расположением наземных станций и характеристиками орбиты или траектории космического корабля . ^{[ 11 ]} Космическая сеть использует геостационарного спутники реле для расширения возможностей проходов по горизонту.

Отслеживание и рейтинг

Наземные станции должны отслеживать космический корабль, чтобы правильно указывать свои антенны , и должны учитывать допплеровское переключение частоты радиочастотных частот из -за движения космического корабля. Наземные станции также могут выполнять автоматическое давление ; Дапочтки тонов могут быть мультиплексированы с помощью командных и телеметрических сигналов. Отслеживание наземной станции и данные о базе передаются в центр управления вместе с телеметрией космического корабля, где они часто используются в определении орбиты .

Центры управления миссией

НАСА Центр управления в лаборатории реактивного движения

Центры управления миссиями обрабатывают, анализируют и распространяют телеметрию космических аппаратов , а также команды выпуска , загрузки данных и обновления программного обеспечения в космический корабль. Для космических кораблей экипажа, Mission Control управляет голосовой и видеообъемлением с экипажем. Центры управления также могут нести ответственность за управление конфигурацией и архивную архивную информацию . ^{[ 7 ]}^: 483 Как и на наземных станциях, часто существуют средства управления резервным копированием для поддержки непрерывности операций.

Обработка телеметрии

Центры управления используют телеметрию для определения состояния космического корабля и его систем. ^{[ 3 ]}^: 485 Домашнее хозяйство, диагностика, наука и другие типы телеметрии могут переносить на отдельных виртуальных каналах . Программное обеспечение управления полетом выполняет начальную обработку полученной телеметрии, включая:

Разделение и распространение виртуальных каналов ^{[ 3 ]}^: 393
Временное упорядочение и проверка пробелов полученных кадров (пробелы могут быть заполнены путем проведения повторной передачи)
Декалирование значений параметров, ^{[ 10 ]} и ассоциация этих значений с именами параметров, называемых mnemonics
Преобразование необработанных данных в калиброванные (инженерные) значения и расчет производных параметров ^{[ 7 ]}^: 483
Проверка ограничений и ограничений (которые могут генерировать уведомления о предупреждениях) ^{[ 3 ]}^: 479^{[ 7 ]}^: 484
Генерация дисплеев телеметрии, которые могут быть приняты формой таблиц, графиков параметров друг против друга или с течением времени, или синоптические дисплеи (иногда называемые имитирующими) - по существу проточные диаграммы , которые представляют компоненты или подсистемные интерфейсы и их состояние ^{[ 7 ]}^: 484

космических кораблей База данных , предоставленная производителем космических кораблей, призван предоставить информацию о форматировании телеметрии, положениях и частотах параметров в рамках, а также связанных с ними мнемоники, калибровки и мягких и твердых ограничений. ^{[ 7 ]}^: 486 Содержимое этой базы данных, особенно калибровки и ограничения, может периодически обновляться для поддержания согласованности с бортовым программным обеспечением и рабочими процедурами; Они могут измениться в течение срока службы миссии в ответ на модернизацию , ухудшение оборудования в космической среде и изменения в параметрах миссии. ^{[ 12 ]}^: 399

Командующий

Команды, отправленные космическим кораблям, отформатируются в соответствии с базой данных космических кораблей и подтверждены в отношении базы данных перед передачей через наземную станцию . Команды могут быть выпущены вручную в режиме реального времени, или они могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур, загруженных полностью. ^{[ 7 ]}^: 485 Как правило, команды, успешно полученные космическим кораблем, признаны в телеметрии, ^{[ 7 ]}^: 485 и командный счетчик поддерживается на космическом корабле и на земле, чтобы обеспечить синхронизацию. В некоторых случаях контроль с замкнутым контуром может быть выполнено . Заявленная деятельность может относиться непосредственно к целям миссии, или они могут быть частью домашнего хозяйства . Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованы , чтобы предотвратить несанкционированный доступ к космическому космическому космическому космическому Корабе или его данных.

Процедуры космического корабля, как правило, разрабатываются и испытывают на симулятор космического корабля перед использованием с фактическим космическим кораблем. ^{[ 13 ]}^: 488

Анализ и поддержка

Центры управления миссиями могут полагаться на «Офлайн» (то есть, не в режиме реального времени ) подсистемы обработки данных для решения аналитических задач ^{[ 3 ]}^: 21^{[ 7 ]}^: 487 такой как:

Определение орбиты и маневрирования планирование ^{[ 14 ]}
конъюнкции Оценка предотвращения столкновений и планирование ^{[ 7 ]}^{: 478–479}
Планирование и планирование миссий ^{[ 7 ]}^{: 489–491}
Встроенное управление памятью ^{[ 15 ]}^{: 247–249}
Краткосрочный и долгосрочный анализ тенденций ^{[ 3 ]}^: 21
Планирование пути , в случае планетарных роверов

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 быть обработаны через удаленные клеммы за пределами центра управления. По мере того, как встроенная вычислительная мощность и сложность программного обеспечения полета увеличилась, существует тенденция к выполнению более автоматизированной обработки данных на борту космического корабля . ^{[ 16 ]}^: 2–3

Кадровое покрытие

Центры управления могут постоянно или регулярно укомплектоваться контроллерами полетов . Кадровое расписание, как правило, наибольшее на ранних этапах миссии, ^{[ 3 ]}^: 21 и во время критических процедур и периодов, например, когда космический корабль находится в затмении и не может генерировать власть. ^{[ 16 ]} Все чаще, центры управления для беззаботного космического корабля могут быть установлены для работы «зажигания» (или автоматической ), как средство контроля затрат. ^{[ 16 ]} полетом Программное обеспечение для управления , как правило, генерирует уведомления о значительных событиях - как запланированных, так и незапланированных - в земле или пространственном сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора. ^{[ 16 ]}

Отдаленные терминалы

Удаленные терминалы представляют собой интерфейсы в наземных сетях, отделенных от Центра управления миссией, к которому можно получить доступ контроллеров полезной нагрузки , аналитиков телеметрии, инструментов и научных групп, а также для поддержки персонала, таких как системные администраторы и разработки программного обеспечения команды . Они могут быть только получены, или они могут передавать данные в сеть грунта.

Терминалы, используемые сервисными клиентами, включая интернет -провайдеров и конечных пользователей , коллективно называются «сегментом пользователя» и обычно отличаются от сегмента земли. Пользовательские терминалы, включая спутниковые телевизионные системы и спутниковые телефоны, напрямую общаются с космическим кораблем, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на сегмент земли для получения, передачи и обработки данных.

Интеграция и тестовые средства

Космические транспортные средства и их интерфейсы собираются и протестируются на установках интеграции и тестирования (I & T). Mission Specififice I & T предоставляет возможность полностью проверить связь между и поведением как космического корабля, так и сегмента земли до запуска. ^{[ 7 ]}^: 480

Запуск

Транспортные средства доставляются в космос через стартовые мощности , которые обрабатывают логистику ракетных запуска. Запуск обычно подключается к наземной сети для ретранения телеметрии до и во время запуска. Иногда говорят, что сам ракурный носитель составляет «сегмент передачи», который может считаться отличным от наземных и космических сегментов. ^{[ 3 ]}^: 21

Наземные сети

Земные сети обрабатывают передачу данных и голосовую связь между различными элементами сегмента земли. ^{[ 7 ]}^{: 481–482} Эти сети часто объединяют элементы LAN и WAN , за которые могут нести ответственность разные стороны. Географически разделенные элементы могут быть подключены через арендованные линии или виртуальные частные сети . ^{[ 7 ]}^: 481 Проектирование наземных сетей обусловлен требованиями к надежности , пропускной способности и безопасности . сетевые протоколы, устойчивые к задержке Можно использовать .

Надежность является особенно важным фактором для критических систем , со временем безотказной работы и средним временем для восстановления, которые имеют первостепенное значение. Как и в случае с другими аспектами системы космических кораблей, избыточность сетевых компонентов является основным средством достижения достоверности необходимой системы.

Соображения безопасности жизненно важны для защиты космических ресурсов и конфиденциальных данных. Ссылки WAN часто включают шифрования протоколы и брандмауэры для предоставления информации и безопасности сети . Антивирусные программные системы и системы обнаружения вторжений обеспечивают дополнительную безопасность в конечных точках сети.

Расходы

Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией сегмента наземного сегмента, сильно варьируются, ^{[ 17 ]} и зависят от методов бухгалтерского учета. Согласно исследованию Технологического университета Делфта , ^{[ Примечание 1 ]} Наземный сегмент обеспечивает приблизительно 5% к общей стоимости космической системы. ^{[ 18 ]} Согласно отчету RAND Corporation о миссиях по небольшим космическим кораблям НАСА, только затраты на эксплуатацию вносят 8%на пожизненную стоимость типичной миссии, с интеграцией и тестированием, составляющими еще 3,2%, наземные объекты 2,6%и наземные системы 1.1. % ^{[ 19 ]}^: 10

сегмента наземного сегмента Драйверы стоимости включают требования, предъявляемые к объектам, оборудованию, программному обеспечению, сетевому подключению, безопасности и персоналу. ^{[ 20 ]} В частности, стоимость наземной станции в основном зависят от необходимой мощности передачи, РЧ -полос (ов) и пригодности существующих объектов. ^{[ 17 ]}^: 703 Центры управления могут быть высоко автоматизированы в качестве средства контроля затрат на штат. ^{[ 16 ]}

^ На основе модели, описанной в анализе и дизайне космических миссий , третьем издании Джеймса В. Верца и Уайли Дж. Ларсона

Изображения

Антенна, принадлежащая сети Deep Space
Центр управления операциями космического телескопа в Центре космических полетов Годдарда , во время обслуживания космического телескопа Хаббла
Интеграция аппаратного обеспечения полета на объекте JAXA в Цукубе , Япония
Способность запуска в эксплуатацию в Космическом центре Guiana

Смотрите также

Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS), который поддерживает стандарты для телеметрии и форматирования команд
Служба радиокомммуникации , как определено по радиоуправления ITU
Встроенная подсистема обработки данных

Ссылки

^ «Земный сегмент» . Sky Perfect JSAT Group International. Архивировано с оригинала 20 сентября 2015 года . Получено 5 ноября 2015 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Элберт, Брюс (2014). Спутниковое сегмент земли и Справочник по земной станции (2 -е изд.). Artech House. п. 141. ISBN 978-1-60807-673-4 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Hallmann, Willi, eds. (2008). Справочник космических технологий . Уайли . ISBN 978-0470742419 Полем Получено 30 декабря 2015 года .
^ «Отдел земли» . Европейское космическое агентство . Получено 5 ноября 2015 года .
^ «Обзор сегмента земли» . Европейское космическое агентство . Получено 5 ноября 2015 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Рейнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проекта сегмента наземного сегмента для миссий наблюдения за землей» . Альпбах Летняя школа. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-07-09 . Получено 2015-11-06 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м ^не Шатель, Франк (2011). «Земный сегмент». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ «Радиочастотные компоненты» . Sky Perfect JSAT Group International . Получено 5 ноября 2015 года .
^ «Земные станции/телепорты - Хаб» . Sky Perfect JSAT Group International . Получено 5 ноября 2015 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} «Глава 10: телекоммуникации». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Получено 28 декабря 2015 года .
^ Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые созвездия: типы орбитальных, использование и связанные с ними факты (PDF) . ISU Летняя сессия. Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2019 года . Получено 17 ноября 2015 года .
^ Шериф, Рэй Э.; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ Fillery, Nigel P.; Стентон, Дэвид (2011). «Телеметрия, команда, обработка данных и обработка». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ «Глава 13: Навигация по космическим кораблям». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Получено 28 декабря 2015 года .
^ Улиг, Томас; Sellmaier, Florian; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Космические операции . Springer Publishing House. ISBN 978-3-7091-1802-3 Полем Получено 28 декабря 2015 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и «Операционное персонал» . Спутниковые операции. Документы передового опыта . Космические операции и поддержка технического комитета, Американский институт аэронавтики и астронавтики . Архивировано с оригинала 6 октября 2016 года . Получено 28 декабря 2015 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science+Business Media . ISBN 1461530067 Полем Получено 8 января 2016 года .
^ Zandbergen, BTC, «Стоимость системы ROM», оценка затрат для элементов космической системы, v.1.02 , архивирована из оригинала (электронная таблица Excel) 26 января 2016 года , полученная 8 января 2016 г.
^ де Век, Оливье; де Нойфвилл, Ричард; Чанг, Даррен; Чайз, Матье. «Технический успех и экономический провал». Спутниковые созвездия (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала (PDF) на 2005-05-09 . Получено 2016-01-12 .
^ Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель затрат на землю (G-COST) для военных систем». AIAA International Communications Satellite Systems Conference . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421. doi : 10.2514/6.1996-1111 .

[Wertz_Larson-18] На основе модели, описанной в анализе и дизайне космических миссий , третьем издании Джеймса В. Верца и Уайли Дж. Ларсона

[jsat_intro-1] «Земный сегмент» . Sky Perfect JSAT Group International. Архивировано с оригинала 20 сентября 2015 года . Получено 5 ноября 2015 года .

[elbert-2] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Элберт, Брюс (2014). Спутниковое сегмент земли и Справочник по земной станции (2 -е изд.). Artech House. п. 141. ISBN 978-1-60807-673-4 .

[ley-3] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Hallmann, Willi, eds. (2008). Справочник космических технологий . Уайли . ISBN 978-0470742419 Полем Получено 30 декабря 2015 года .

[esa_ers-4] «Отдел земли» . Европейское космическое агентство . Получено 5 ноября 2015 года .

[esa_copernicus-5] «Обзор сегмента земли» . Европейское космическое агентство . Получено 5 ноября 2015 года .

[reiniger-6] Jump up to: ^а ^{беременный} Рейнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проекта сегмента наземного сегмента для миссий наблюдения за землей» . Альпбах Летняя школа. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-07-09 . Получено 2015-11-06 .

[Fortescue-GS-7] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж ^k ^л ^м ^не Шатель, Франк (2011). «Земный сегмент». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[jsat_RF-8] «Радиочастотные компоненты» . Sky Perfect JSAT Group International . Получено 5 ноября 2015 года .

[jsat_teleport-9] «Земные станции/телепорты - Хаб» . Sky Perfect JSAT Group International . Получено 5 ноября 2015 года .

[JPL_10-10] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} «Глава 10: телекоммуникации». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Получено 28 декабря 2015 года .

[wood-11] Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые созвездия: типы орбитальных, использование и связанные с ними факты (PDF) . ISU Летняя сессия. Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2019 года . Получено 17 ноября 2015 года .

[Fortescue-Telecom-12] Шериф, Рэй Э.; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[Fortescue-T&C-13] Fillery, Nigel P.; Стентон, Дэвид (2011). «Телеметрия, команда, обработка данных и обработка». В Fortescue, Питер; Свинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Комплекс Systems Engineering (4 -е изд.). Уайли. С. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[JPL_13-14] «Глава 13: Навигация по космическим кораблям». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Получено 28 декабря 2015 года .

[uhlig-15] Улиг, Томас; Sellmaier, Florian; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Космические операции . Springer Publishing House. ISBN 978-3-7091-1802-3 Полем Получено 28 декабря 2015 года .

[aiaa-16] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и «Операционное персонал» . Спутниковые операции. Документы передового опыта . Космические операции и поддержка технического комитета, Американский институт аэронавтики и астронавтики . Архивировано с оригинала 6 октября 2016 года . Получено 28 декабря 2015 года .

[tirro-17] Jump up to: ^а ^{беременный} Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science+Business Media . ISBN 1461530067 Полем Получено 8 января 2016 года .

[zandbergenROM-19] Zandbergen, BTC, «Стоимость системы ROM», оценка затрат для элементов космической системы, v.1.02 , архивирована из оригинала (электронная таблица Excel) 26 января 2016 года , полученная 8 января 2016 г.

[deWeck-20] де Век, Оливье; де Нойфвилл, Ричард; Чанг, Даррен; Чайз, Матье. «Технический успех и экономический провал». Спутниковые созвездия (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала (PDF) на 2005-05-09 . Получено 2016-01-12 .

[matthews-21] Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель затрат на землю (G-COST) для военных систем». AIAA International Communications Satellite Systems Conference . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421. doi : 10.2514/6.1996-1111 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ Примечание 1 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]