Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космической системы, используемых операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от космического сегмента и пользовательского сегмента. [1] [2] : 1 Наземный сегмент обеспечивает управление космическим аппаратом и распределение данных о полезной нагрузке и телеметрии среди заинтересованных сторон на земле. Основными элементами наземного сегмента являются:
Эти элементы присутствуют почти во всех космических миссиях, будь то коммерческих , военных или научных . Они могут быть расположены вместе или разделены географически, и ими могут управлять разные стороны. [5] [6] : 25 Некоторые элементы могут поддерживать несколько космических аппаратов одновременно. [7] : 480, 481
Наземные станции обеспечивают радиоинтерфейсы между космическим и наземным сегментами для телеметрии, слежения и управления (TT&C), а также передачи и приема данных полезной нагрузки. [6] : 4 [8] [9] Сети слежения, такие как Near Earth Network и Space Network НАСА , обеспечивают связь с несколькими космическими аппаратами посредством разделения времени . [3] : 22
Оборудование наземной станции может контролироваться и управляться дистанционно . Часто существуют резервные станции, с которых можно поддерживать радиосвязь, если на основной наземной станции возникнет проблема, которая сделает ее неспособной работать, например, стихийное бедствие. Такие непредвиденные обстоятельства рассматриваются в плане непрерывности операций .
Сигналы, которые должны быть переданы на космический корабль, сначала должны быть извлечены из пакетов наземной сети , закодированы в базовую полосу и модулированы [10] , как правило, на промежуточной частоте (ПЧ) носителя, перед преобразованием с повышением до назначенного радиочастотного диапазона (РЧ). Затем РЧ-сигнал усиливается до высокой мощности и передается по волноводу на антенну для передачи. В более холодном климате могут потребоваться электрические нагреватели или воздуходувки для предотвращения образования льда или снега на параболической тарелке .
Полученные («нисходящие») сигналы проходят через малошумящий усилитель (часто расположенный в антенном концентраторе, чтобы минимизировать расстояние, которое должен пройти сигнал) перед понижением частоты до ПЧ; эти две функции могут быть объединены в малошумящем блочном понижающем преобразователе . Затем сигнал ПЧ демодулируется , а поток данных извлекается с помощью синхронизации битов и кадров и декодирования. [10] Ошибки данных, такие как вызванные ухудшением сигнала , выявляются и исправляются , где это возможно. [10] Затем извлеченный поток данных пакетируется или сохраняется в файлы для передачи по наземным сетям. Наземные станции могут временно хранить полученную телеметрию для последующего воспроизведения в центрах управления, часто, когда пропускная способность наземной сети недостаточна для передачи всей полученной телеметрии в реальном времени. Они могут поддерживать устойчивую к задержкам сеть .
Один космический аппарат может использовать несколько диапазонов радиочастот для различных потоков данных телеметрии, команд и полезной нагрузки в зависимости от пропускной способности и других требований.
Время пролетов , когда существует прямая видимость с космическим аппаратом, определяется местоположением наземных станций и характеристиками орбиты или траектории космического аппарата . [11] Космическая сеть использует геостационарные ретрансляционные спутники для расширения возможностей пролетов за горизонт.
Наземные станции должны отслеживать космические аппараты, чтобы правильно направлять свои антенны , и должны учитывать доплеровский сдвиг радиочастот из-за движения космического аппарата. Наземные станции также могут выполнять автоматическое измерение дальности ; тоны дальности могут быть мультиплексированы с командными и телеметрическими сигналами. Данные отслеживания и измерения дальности наземной станции передаются в центр управления вместе с телеметрией космического аппарата, где они часто используются для определения орбиты .
Центры управления полетами обрабатывают, анализируют и распределяют телеметрию космических аппаратов , а также выдают команды , загружают данные и обновляют программное обеспечение космических аппаратов. Для пилотируемых космических аппаратов центр управления полетами управляет голосовой и видеосвязью с экипажем. Центры управления также могут отвечать за управление конфигурацией и архивацию данных . [7] : 483 Как и в случае с наземными станциями, для поддержки непрерывности операций часто имеются резервные средства управления.
Центры управления используют телеметрию для определения состояния космического корабля и его систем. [3] : 485 Хозяйственная, диагностическая, научная и другие типы телеметрии могут передаваться по отдельным виртуальным каналам . Программное обеспечение управления полетом выполняет начальную обработку полученной телеметрии, включая:
База данных космического аппарата , предоставляемая производителем космического аппарата, призвана предоставлять информацию о форматировании телеметрических кадров, положениях и частотах параметров в кадрах, а также связанных с ними мнемонических кодах, калибровках, а также мягких и жестких ограничениях. [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 меняться в течение срока службы миссии в ответ на обновления , ухудшение работы оборудования в космической среде и изменения параметров миссии. [12] : 399
Команды, отправляемые на космический корабль, форматируются в соответствии с базой данных космического корабля и проверяются по базе данных перед передачей через наземную станцию. Команды могут выдаваться вручную в режиме реального времени или могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур, загружаемых целиком. [7] : 485 Обычно команды, успешно полученные космическим кораблем, подтверждаются в телеметрии, [7] : 485 и счетчик команд поддерживается на космическом корабле и на земле для обеспечения синхронизации. В некоторых случаях может выполняться управление с обратной связью . Командные действия могут относиться непосредственно к целям миссии или могут быть частью ведения домашнего хозяйства . Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованы для предотвращения несанкционированного доступа к космическому кораблю или его данным.
Процедуры для космических аппаратов обычно разрабатываются и тестируются на имитаторе космического аппарата перед использованием на реальном космическом аппарате. [13] : 488
Центры управления полетами могут полагаться на подсистемы обработки данных «офлайн» (т.е. не в режиме реального времени ) для решения аналитических задач [3] : 21 [7] : 487, таких как:
В центре управления могут быть предусмотрены выделенные физические пространства для определенных ролей поддержки миссии, таких как динамика полета и управление сетью , [3] : 475 или эти роли могут обрабатываться через удаленные терминалы за пределами центра управления. Поскольку вычислительная мощность на борту и сложность программного обеспечения полета возросли, существует тенденция к выполнению более автоматизированной обработки данных на борту космического корабля . [16] : 2–3
Центры управления могут постоянно или регулярно обслуживаться диспетчерами полета . Обычно численность персонала больше всего на ранних этапах миссии, [3] : 21 и во время критических процедур и периодов, например, когда космический корабль находится в затмении и не может вырабатывать электроэнергию. [16] Все чаще центры управления беспилотными космическими аппаратами могут быть настроены на работу в режиме «отключения света» (или в автоматическом режиме ) в качестве средства контроля расходов. [16] Программное обеспечение для управления полетом обычно генерирует уведомления о существенных событиях — как запланированных, так и незапланированных — в наземном или космическом сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора. [16]
Удаленные терминалы — это интерфейсы в наземных сетях, отдельные от центра управления полетами, к которым могут иметь доступ контроллеры полезной нагрузки , аналитики телеметрии, группы по приборам и науке , а также вспомогательный персонал, такой как системные администраторы и группы разработки программного обеспечения . Они могут быть только приемными или передавать данные в наземную сеть.
Терминалы, используемые клиентами услуг , включая интернет-провайдеров и конечных пользователей , в совокупности называются «пользовательским сегментом» и обычно отличаются от наземного сегмента. Пользовательские терминалы, включая спутниковые телевизионные системы и спутниковые телефоны, напрямую взаимодействуют с космическими аппаратами, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на наземный сегмент для получения, передачи и обработки данных.
Космические аппараты и их интерфейсы собираются и тестируются на объектах интеграции и тестирования (I&T). Специфические для миссии I&T предоставляют возможность полностью проверить связь и поведение как космического аппарата, так и наземного сегмента перед запуском. [7] : 480
Транспортные средства доставляются в космос через стартовые комплексы , которые занимаются логистикой запусков ракет. Стартовые комплексы обычно подключены к наземной сети для передачи телеметрии до и во время запуска. Иногда говорят, что сам носитель представляет собой «сегмент передачи», который можно считать отличным как от наземного, так и от космического сегментов. [3] : 21
Наземные сети управляют передачей данных и голосовой связью между различными элементами наземного сегмента. [7] : 481–482 Эти сети часто объединяют элементы LAN и WAN , за которые могут отвечать разные стороны. Географически разделенные элементы могут быть подключены через арендованные линии или виртуальные частные сети . [7] : 481 Проектирование наземных сетей обусловлено требованиями к надежности , пропускной способности и безопасности . Могут использоваться сетевые протоколы, устойчивые к задержкам .
Надежность является особенно важным фактором для критических систем , при этом время безотказной работы и среднее время восстановления являются первостепенной задачей. Как и в случае с другими аспектами системы космического корабля, избыточность сетевых компонентов является основным средством достижения требуемой надежности системы.
Вопросы безопасности имеют решающее значение для защиты ресурсов пространства и конфиденциальных данных. Связи 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.
Расходы, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно варьируются [17] и зависят от методов учета. Согласно исследованию Делфтского технического университета [Примечание 1] , наземный сегмент составляет приблизительно 5% от общей стоимости космической системы. [18] Согласно отчету корпорации RAND о малых космических миссиях NASA, одни только эксплуатационные расходы составляют 8% от стоимости жизненного цикла типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземные объекты — 2,6%, а проектирование наземных систем — 1,1%. [19] : 10
Факторы стоимости наземного сегмента включают требования, предъявляемые к объектам, оборудованию, программному обеспечению, сетевому подключению, безопасности и персоналу. [20] В частности, затраты на наземные станции во многом зависят от требуемой мощности передачи, диапазона(ов) радиочастот и пригодности уже существующих объектов. [17] : 703 Центры управления могут быть высокоавтоматизированы как средство контроля расходов на персонал. [16]
