NASA Deep Space Network ( DSN ) — это всемирная сеть наземных сегментов связи космических аппаратов , расположенная в США (Калифорния), Испании (Мадрид) и Австралии (Канберра), которая поддерживает межпланетные миссии космических аппаратов NASA . Она также выполняет радио- и радиоастрономические наблюдения для исследования Солнечной системы и Вселенной , а также поддерживает отдельные миссии на околоземной орбите. DSN является частью Лаборатории реактивного движения NASA (JPL).
В настоящее время DSN состоит из трех объектов дальней космической связи, расположенных таким образом, что удаленный космический корабль всегда находится в поле зрения по крайней мере одной станции. [1] [2] [3] Это:
Каждый объект расположен в полугорной, чашеобразной местности, что помогает защититься от радиочастотных помех. [4] Стратегическое размещение станций позволяет вести постоянное наблюдение за космическими аппаратами по мере вращения Земли, что помогает сделать DSN крупнейшей и наиболее чувствительной научной телекоммуникационной системой в мире. [5]
DSN поддерживает вклад NASA в научное исследование Солнечной системы : он обеспечивает двустороннюю связь, которая направляет и контролирует различные беспилотные межпланетные космические зонды NASA , и возвращает изображения и новую научную информацию, которую собирают эти зонды. Все антенны DSN являются управляемыми, высокоусиленными, параболическими рефлекторными антеннами. [4] Антенны и системы доставки данных позволяют: [2]
Другие страны и организации также управляют сетями дальнего космоса. DSN работает в соответствии со стандартами Консультативного комитета по системам космических данных , как и большинство других сетей дальнего космоса, и, следовательно, DSN может взаимодействовать с сетями других космических агентств. К ним относятся Советская сеть дальнего космоса , Китайская сеть дальнего космоса , Индийская сеть дальнего космоса , Японская сеть дальнего космоса и ESTRACK Европейского космического агентства . Эти агентства часто сотрудничают для лучшего покрытия миссий. [6] В частности, DSN имеет соглашение о перекрестной поддержке с ЕКА, которое позволяет взаимно использовать обе сети для большей эффективности и снижения риска. [7] Кроме того, радиоастрономические объекты, такие как обсерватория Паркса или телескоп Грин-Бэнк , иногда используются для дополнения антенн DSN.
Антенны всех трех комплексов DSN напрямую связаны с Центром управления дальним космосом (также известным как Центр управления операциями сети дальнего космоса), расположенным на объектах JPL в Пасадене, Калифорния . [3]
В первые годы центр управления операциями не имел постоянного помещения. Это была временная установка с многочисленными столами и телефонами, установленными в большой комнате рядом с компьютерами, используемыми для расчета орбит. В июле 1961 года НАСА начало строительство постоянного помещения, Space Flight Operations Facility (SFOF). Строительство объекта было завершено в октябре 1963 года, а его открытие состоялось 14 мая 1964 года. В первоначальной установке SFOF было 31 пульт, 100 камер видеонаблюдения и более 200 телевизионных дисплеев для поддержки Ranger 6 , Ranger 9 и Mariner 4. [ 8]
В настоящее время персонал операционного центра в SFOF контролирует и руководит операциями, а также контролирует качество телеметрии и навигационных данных космических аппаратов, предоставляемых пользователям сети. В дополнение к комплексам DSN и операционному центру, наземное коммуникационное сооружение обеспечивает связь, которая связывает три комплекса с операционным центром в JPL, с центрами управления космическими полетами в Соединенных Штатах и за рубежом, а также с учеными по всему миру. [9]
Отслеживание транспортных средств в дальнем космосе существенно отличается от отслеживания миссий на низкой околоземной орбите (НОО). Миссии в дальнем космосе видны в течение длительного времени с большой части поверхности Земли, поэтому требуют немного станций (DSN имеет только три основных сайта). Однако этим немногим станциям требуются огромные антенны, сверхчувствительные приемники и мощные передатчики для передачи и приема на огромных расстояниях.
Дальний космос определяется несколькими различными способами. Согласно отчету NASA 1975 года, DSN была разработана для связи с «космическими аппаратами, летящими примерно на 16 000 км (10 000 миль) от Земли до самых дальних планет Солнечной системы». [10] Диаграммы JPL [11] показывают, что на высоте 30 000 км (19 000 миль) космический аппарат всегда находится в поле зрения одной из станций слежения. Международный союз электросвязи , который выделяет различные диапазоны частот для дальнего космоса и околоземного использования , определяет «дальний космос» как начинающийся на расстоянии 2 миллионов км (1,2 миллиона миль) от поверхности Земли. [12]
Сеть дальней космической связи NASA может как отправлять, так и принимать данные во всех диапазонах дальнего космоса ITU — S-диапазоне (2 ГГц), X-диапазоне (8 ГГц) и Ka-диапазоне (32 ГГц).
Однако не все космические миссии могут использовать эти диапазоны. Луна, точки Лагранжа Земля-Луна и точки Лагранжа Земля-Солнце L 1 и L 2 находятся ближе, чем в 2 миллионах км от Земли (расстояния здесь ), поэтому они считаются ближним космосом и не могут использовать диапазоны дальнего космоса МСЭ. Миссии в этих местах, которым требуются высокие скорости передачи данных, должны поэтому использовать диапазон K "ближнего космоса" (27 ГГц). Поскольку у НАСА есть несколько таких миссий (например, космический телескоп Джеймса Уэбба и лунный разведывательный орбитальный аппарат ), они усовершенствовали сеть дальнего космоса, чтобы принимать (но не передавать) на этих частотах. [13]
DSN также занимается оптической связью в глубоком космосе, предлагая более высокие скорости связи за счет восприимчивости к погодным условиям и необходимости чрезвычайно точного наведения космического корабля. Эта технология работает в виде прототипа. [14]
Предшественник DSN был создан в январе 1958 года, когда JPL , тогда работавшая по контракту с армией США , развернула портативные станции радиослежения в Нигерии, Сингапуре и Калифорнии для приема телеметрии и построения орбиты запущенного армией Explorer 1 , первого успешного спутника США . [15] NASA было официально создано 1 октября 1958 года для объединения отдельно развивающихся программ по исследованию космоса армии США, ВМС США и ВВС США в одну гражданскую организацию. [16]
3 декабря 1958 года JPL была переведена из армии США в NASA и получила ответственность за разработку и выполнение программ исследования Луны и планет с использованием дистанционно управляемых космических аппаратов. Вскоре после перевода NASA разработало концепцию Deep Space Network как отдельно управляемой и эксплуатируемой системы связи, которая будет охватывать все миссии в дальний космос , тем самым избегая необходимости для каждого проекта полета приобретать и эксплуатировать свою собственную специализированную космическую коммуникационную сеть. DSN получила ответственность за собственные исследования, разработки и эксплуатацию в поддержку всех своих пользователей. В рамках этой концепции она стала мировым лидером в разработке малошумящих приемников; больших параболических антенн; систем слежения, телеметрии и управления; цифровой обработки сигналов; и навигации в дальнем космосе. Deep Space Network официально объявила о своем намерении отправлять миссии в дальний космос в канун Рождества 1963 года; с тех пор она непрерывно функционирует в том или ином качестве. [17]
Самые большие антенны DSN часто вызываются во время аварийных ситуаций на космических кораблях. Почти все космические корабли спроектированы таким образом, чтобы нормальная работа могла осуществляться на меньших (и более экономичных) антеннах DSN, но во время чрезвычайной ситуации использование самых больших антенн имеет решающее значение. Это связано с тем, что проблемный космический корабль может быть вынужден использовать меньшую, чем обычно, мощность передатчика, проблемы с управлением ориентацией могут исключить использование антенн с высоким коэффициентом усиления , а восстановление каждой битовой телеметрии имеет решающее значение для оценки состояния космического корабля и планирования восстановления. Самым известным примером является миссия Apollo 13 , где ограниченный заряд батареи и невозможность использования антенн с высоким коэффициентом усиления космического корабля снизили уровни сигнала ниже возможностей сети пилотируемых космических полетов , а использование самых больших антенн DSN (и радиотелескопа австралийской обсерватории Паркса ) имело решающее значение для спасения жизней астронавтов. Хотя Apollo также был миссией США, DSN предоставляет эту экстренную услугу и другим космическим агентствам в духе межведомственного и международного сотрудничества. Например, восстановление миссии Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO) Европейского космического агентства (ЕКА) было бы невозможно без использования крупнейших объектов DSN.
Хотя обычно задача Deep Space Network (DSN) заключалась в отслеживании беспилотных космических аппаратов, она также внесла свой вклад в связь и отслеживание миссий Apollo на Луну , хотя основная ответственность лежала на Manned Space Flight Network (MSFN). DSN спроектировала станции MSFN для лунной связи и предоставила вторую антенну на каждом участке MSFN (участки MSFN находились рядом с участками DSN именно по этой причине). Две антенны на каждом участке были необходимы как для избыточности, так и потому, что ширина луча больших антенн была слишком мала, чтобы охватить и лунный орбитальный аппарат, и посадочный модуль одновременно. DSN также поставляла некоторые более крупные антенны по мере необходимости, в частности, для телевизионных трансляций с Луны и экстренной связи, такой как Apollo 13. [18]
Выдержка из отчета НАСА, описывающая сотрудничество DSN и MSFN в рамках программы «Аполлон»: [19]
Еще один важный шаг в развитии сети Apollo произошел в 1965 году с появлением концепции DSN Wing. Первоначально участие антенн DSN 26 м во время миссии Apollo должно было быть ограничено резервной ролью. Это было одной из причин, по которой сайты MSFN 26 м были совмещены с сайтами DSN в Голдстоуне, Мадриде и Канберре. Однако присутствие двух, хорошо разделенных космических аппаратов во время лунных операций стимулировало переосмысление проблемы отслеживания и связи. Одна из идей заключалась в том, чтобы добавить двойную систему радиочастот S-диапазона к каждой из трех антенн MSFN 26 м, оставив соседние антенны DSN 26 м по-прежнему в резервной роли. Однако расчеты показали, что диаграмма направленности антенны 26 м, центрированная на приземлившемся лунном модуле, будет испытывать потери от 9 до 12 дБ на лунном горизонте, что сделает отслеживание и сбор данных орбитального командного служебного модуля сложными, а возможно, и невозможными. Было разумно использовать антенны MSFN и DSN одновременно во время важнейших лунных операций. JPL, естественно, не хотела ставить под угрозу цели своих многочисленных беспилотных космических аппаратов, передавая три свои станции DSN MSFN на длительные периоды. Как можно было достичь целей и Apollo, и исследования дальнего космоса, не построив третью 26-метровую антенну на каждой из трех площадок или не подорвав миссии по исследованию планет?
Решение пришло в начале 1965 года на встрече в штаб-квартире NASA, когда Эберхардт Рехтин предложил то, что сейчас известно как «концепция крыла». Подход крыла подразумевает строительство новой секции или «крыла» к главному зданию на каждом из трех задействованных участков DSN. Крыло будет включать в себя комнату управления MSFN и необходимое интерфейсное оборудование для выполнения следующих задач:
- Разрешить отслеживание и двустороннюю передачу данных с любым космическим аппаратом во время лунных операций.
- Разрешить отслеживание и двустороннюю передачу данных с помощью комбинированного космического аппарата во время полета к Луне.
- Обеспечить резервное копирование пассивного трека совмещенной станции MSFN (радиочастотные линии связи между космическим аппаратом и землей) космического корабля «Аполлон» во время транслунной и трансземной фаз.
При таком подходе станция DSN могла быстро переключаться с миссии в дальнем космосе на Apollo и обратно. Персонал GSFC будет управлять оборудованием MSFN полностью независимо от персонала DSN. Миссии в дальнем космосе не будут скомпрометированы так сильно, как если бы все оборудование и персонал станции были переданы Apollo на несколько недель.
Подробности этого сотрудничества и работы доступны в двухтомном техническом отчете JPL. [20] [21]
Сеть является объектом NASA и управляется и эксплуатируется для NASA JPL, которая является частью Калифорнийского технологического института (Caltech). Директорат межпланетной сети (IND) управляет программой в JPL и отвечает за ее разработку и эксплуатацию. IND считается координационным центром JPL по всем вопросам, связанным с телекоммуникациями, межпланетной навигацией, информационными системами, информационными технологиями, вычислениями, разработкой программного обеспечения и другими соответствующими технологиями. Хотя IND больше всего известен своими обязанностями, связанными с Deep Space Network, организация также поддерживает JPL Advanced Multi-Mission Operations System (AMMOS) и JPL's Institutional Computing and Information Services (ICIS). [22] [23]
Объекты в Испании и Австралии находятся в совместной собственности и эксплуатируются совместно с научными учреждениями этого правительства. В Австралии « Организация научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO), статутный орган правительства Содружества, создала Отдел астрономии и космической науки CSIRO для управления повседневной деятельностью, проектированием и техническим обслуживанием комплекса дальней космической связи в Канберре». [24] Большинство сотрудников в Тидбинбилле являются австралийскими государственными служащими; земля и здания принадлежат австралийскому правительству; НАСА предоставляет большую часть финансирования, владеет движимым имуществом (таким как антенны и электронное оборудование), за которое оно заплатило, и решает, куда направить антенны. [25] Аналогичным образом в Испании «Ingenieria de Sistemas para la Defensa de España SA (ISDEFE), дочерняя компания, полностью принадлежащая Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) и являющаяся частью Министерства обороны Испании, управляет и обслуживает Мадридский комплекс дальней космической связи (Мадрид)». [24]
Peraton (ранее Harris Corporation ) работает по контракту с JPL на эксплуатацию и обслуживание DSN. Peraton отвечает за управление комплексом Goldstone, эксплуатацию DSOC, а также за операции DSN, планирование миссий, операционную инженерию и логистику. [26] [27] [28]
Каждый комплекс состоит как минимум из четырех дальних космических терминалов, оснащенных сверхчувствительными приемными системами и большими параболическими антеннами. Есть:
Пять из 34-метровых (112 футов) антенн с лучевым волноводом были добавлены к системе в конце 1990-х годов. Три были расположены в Голдстоуне, и по одной в Канберре и Мадриде. Вторая 34-метровая (112 футов) антенна с лучевым волноводом (шестая в сети) была завершена в комплексе Мадрида в 2004 году.
Для удовлетворения текущих и будущих потребностей в услугах дальней космической связи необходимо было построить ряд новых антенн станции дальней космической связи на существующих объектах сети дальней космической связи. В комплексе дальней космической связи в Канберре первая из них была завершена в октябре 2014 года (DSS35), а вторая вступила в строй в октябре 2016 года (DSS36). [29] Новая 34-метровая тарелка (DSS53) начала функционировать в комплексе в Мадриде в феврале 2022 года. [30]
К 2025 году 70-метровые антенны во всех трех местах будут выведены из эксплуатации и заменены 34-метровыми антеннами BWG, которые будут сгруппированы. Все системы будут модернизированы для обеспечения возможностей восходящей связи в диапазоне X и возможностей нисходящей связи в диапазонах X и Ka. [31]
.jpg/1280px-Canberra_Deep_Space_Communication_Complex_-_general_view_(2174403243).jpg)
Общие возможности DSN существенно не изменились с начала межзвездной миссии Voyager в начале 1990-х годов. Однако многие достижения в области цифровой обработки сигналов, построения массивов и исправления ошибок были приняты DSN.
Возможность установки нескольких антенн была включена для улучшения данных, полученных в ходе встречи Вояджера-2 с Нептуном , и широко использовалась в миссии Галилео , когда антенна с высоким коэффициентом усиления космического аппарата не смогла раскрыться, и в результате Галилео был вынужден работать исключительно с антеннами с низким коэффициентом усиления. [32]
Массив DSN, доступный в настоящее время с момента миссии Galileo , может связать 70-метровую (230 футов) антенну-тарелку в комплексе Deep Space Network в Голдстоуне, Калифорния, с идентичной антенной, расположенной в Австралии, в дополнение к двум 34-метровым (112 футов) антеннам в комплексе Канберра. Калифорнийский и австралийский сайты использовались одновременно для приема сообщений с Galileo .
Также используется размещение антенн в трех местах DSN. Например, 70-метровая (230 футов) антенна-тарелка может быть объединена с 34-метровой тарелкой. Для особо важных миссий, таких как Voyager 2 , к массиву могут быть добавлены не-DSN-объекты, обычно используемые для радиоастрономии. [33] В частности, 70-метровая (230 футов) тарелка Canberra может быть объединена с радиотелескопом Parkes в Австралии; а 70-метровая тарелка Goldstone может быть объединена с Very Large Array антенн в Нью-Мексико. [34] Кроме того, две или более 34-метровых (112 футов) тарелок в одном месте DSN обычно объединяются вместе.
Все станции управляются дистанционно из централизованного Центра обработки сигналов в каждом комплексе. В этих Центрах размещаются электронные подсистемы, которые направляют и управляют антеннами, принимают и обрабатывают данные телеметрии, передают команды и генерируют навигационные данные космического корабля. После обработки данных в комплексах они передаются в JPL для дальнейшей обработки и распространения среди научных групп по современной сети связи.
Особенно на Марсе, в пределах ширины луча антенны часто находится много космических аппаратов. Для эффективности работы одна антенна может принимать сигналы от нескольких космических аппаратов одновременно. Эта возможность называется Multiple Spacecraft Per Aperture ( множество космических аппаратов на апертуру) , или MSPA . В настоящее время DSN может принимать до 4 сигналов космических аппаратов одновременно, или MSPA-4. Однако в настоящее время апертуры не могут совместно использоваться для восходящей линии связи. Когда одновременно используются два или более мощных несущих, продукты интермодуляции очень высокого порядка попадают в полосы приемника, вызывая помехи для гораздо (на 25 порядков) более слабых принимаемых сигналов. [35] Таким образом, только один космический аппарат за раз может получить восходящую линию связи, хотя может быть принято до 4.
Существует ряд ограничений для текущей DSN и ряд проблем, которые предстоит решить в будущем. Большинство из них изложены в аудите сети дальнего космоса NASA, проведенном Управлением генерального инспектора NASA. [36] Их основные выводы таковы:
Также были отмечены и другие проблемы:
Из-за ограничений пропускной способности DSN новые космические аппараты, предназначенные для миссий за пределами геоцентрических орбит, оборудуются для использования сервиса режима маяка , что позволяет таким миссиям большую часть времени работать без DSN. [41] Кроме того, NASA создает сеть лунных исследовательских наземных площадок , чтобы разгрузить DSN от большей части потребностей лунных и миссий «Артемида».
.jpg/1280px-Illustration_of_Juno_spacecraft_at_Jupiter_(PIA19639).jpg)
DSN является частью эксперимента по радионаукам, включаемого в большинство миссий в дальний космос, где радиосвязь между космическим аппаратом и Землей используется для исследования планетной науки, космической физики и фундаментальной физики. Эксперименты включают радиозатмения, определение гравитационного поля и небесной механики, бистатическое рассеяние, эксперименты с доплеровским ветром, характеристику солнечной короны и тесты фундаментальной физики. [42]
Например, Deep Space Network является одним из компонентов эксперимента по гравитационной науке на Juno . Это включает в себя специальное коммуникационное оборудование на Juno и использует его коммуникационную систему. [43] DSN излучает восходящий канал Ka-диапазона, который принимается системой связи Ka-диапазона Juno , а затем обрабатывается специальным коммуникационным блоком, называемым KaTS, а затем этот новый сигнал отправляется обратно на DSN. [43] Это позволяет определять скорость космического корабля с течением времени с уровнем точности, который позволяет более точно определять гравитационное поле на планете Юпитер. [43] [44]
Другой радионаучный эксперимент — REX на космическом аппарате New Horizons к Плутону-Харону. REX получил сигнал с Земли, когда она была покрыта Плутоном, чтобы провести различные измерения этой системы тел.
В этой статье использованы материалы из общедоступных источников R. Corliss, William (июнь 1974 г.). Технический отчет NASA CR 140390, История сети космического слежения и сбора данных (STADAN), сети пилотируемых космических полетов (MSFN) и сети связи NASA (NASCOM) (PDF) . NASA. hdl :2060/19750002909. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-03-03.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .