Сеть дальнего космоса НАСА ( DSN ) — это всемирная сеть средств наземного сегмента связи космических аппаратов , расположенная в США (Калифорния), Испании (Мадрид) и Австралии (Канберра), которая поддерживает межпланетные миссии космических кораблей НАСА . Он также выполняет радио- и радиолокационные астрономические наблюдения для исследования Солнечной системы и Вселенной и поддерживает отдельные миссии на околоземной орбите. DSN является частью Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL).
В настоящее время DSN состоит из трех средств связи в дальнем космосе, расположенных так, что удаленный космический корабль всегда находится в поле зрения хотя бы одной станции. [1] [2] [3] Это:
Каждый объект расположен в полугорной чашеобразной местности, что обеспечивает защиту от радиочастотных помех. [4] Стратегическое расположение станций позволяет постоянно наблюдать за космическими кораблями во время вращения Земли, что помогает сделать DSN крупнейшей и наиболее чувствительной научной телекоммуникационной системой в мире. [5]
DSN поддерживает вклад НАСА в научные исследования Солнечной системы : он обеспечивает двустороннюю линию связи, которая направляет и контролирует различные беспилотные межпланетные космические зонды НАСА , а также возвращает изображения и новую научную информацию, которую собирают эти зонды. Все антенны DSN представляют собой управляемые антенны с параболическим рефлектором и высоким коэффициентом усиления . [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 освещения миссий. [6] В частности, DSN имеет соглашение о перекрестной поддержке с ESA, 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 в качестве дополнения к антеннам DSN.
Антенны всех трех комплексов DSN напрямую связываются с Центром операций в дальнем космосе (также известным как центр управления операциями сети дальнего космоса), расположенным на объектах JPL в Пасадене, Калифорния . [3]
В первые годы центр оперативного управления 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 объекта — Центра управления космическими полетами (SFOF). Объект был завершен в октябре 1963 года и открыт 14 мая 1964 года. При первоначальной настройке SFOF имелась 31 консоль, 100 камер видеонаблюдения и более 200 телевизионных дисплеев для поддержки моделей Ranger 6–9 и Mariner . 4 . [8]
В настоящее время персонал оперативного центра SFOF контролирует и руководит операциями, а также контролирует качество телеметрических и навигационных данных космического корабля, доставляемых пользователям сети. Помимо комплексов DSN и оперативного центра, наземное средство связи обеспечивает связь, которая связывает три комплекса с оперативным центром Лаборатории реактивного движения, с центрами управления космическими полетами в США и за рубежом, а также с учеными по всему миру. [9]
Отслеживание транспортных средств в глубоком космосе сильно отличается от отслеживания миссий на низкой околоземной орбите (НОО). Миссии в дальний космос видны в течение длительных периодов времени с большой части поверхности Земли, поэтому для них требуется мало станций (у DSN есть только три основных площадки). Однако этим немногим станциям требуются огромные антенны, сверхчувствительные приемники и мощные передатчики для передачи и приема на огромные расстояния.
Глубокий космос определяется по-разному. Согласно отчету НАСА за 1975 год, DSN был разработан для связи с «космическими кораблями, путешествующими примерно на 16 000 км (10 000 миль) от Земли до самых дальних планет Солнечной системы». [10] На диаграммах JPL [11] указано, что на высоте 30 000 км (19 000 миль) космический корабль всегда находится в поле зрения одной из станций слежения.
Международный союз электросвязи , который выделяет различные полосы частот для использования в дальнем космосе и около Земли , определяет «дальний космос» как начало на расстоянии 2 миллионов километров (1,2 миллиона миль) от поверхности Земли. [12] Это S-диапазон, X-диапазон, K-диапазон и Ka-диапазон.
Поскольку Луна, точки Лагранжа Земля-Луна и точки Лагранжа Земля-Солнце L 1 и L 2 находятся на расстоянии менее 2 миллионов км от Земли (расстояния указаны здесь ), они считаются ближними к космосу и не могут использовать глубокие космические группы .
Предшественник DSN был создан в январе 1958 года, когда Лаборатория реактивного движения , которая тогда работала по контракту с армией США , развернула портативные станции радиослежения в Нигерии, Сингапуре и Калифорнии для приема телеметрии и определения орбиты запущенного армией « Эксплорера-1» , первый успешный спутник США . [13] НАСА было официально создано 1 октября 1958 года для объединения отдельно развивающихся программ космических исследований армии США, ВМС США и ВВС США в одну гражданскую организацию. [14]
3 декабря 1958 года Лаборатория реактивного движения была передана из состава армии США в НАСА и получила ответственность за разработку и выполнение программ исследования Луны и планет с использованием дистанционно управляемых космических кораблей. Вскоре после передачи НАСА разработало концепцию сети дальнего космоса 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 собственную специализированную сеть космической связи. На DSN была возложена ответственность за собственные исследования, разработки и работу для поддержки всех своих пользователей. В соответствии с этой концепцией компания стала мировым лидером в разработке малошумящих приемников; большие параболические антенны; системы слежения, телеметрии и управления; цифровая обработка сигналов; и навигация в дальнем космосе. Сеть дальнего космоса официально объявила о своем намерении отправить миссии в глубокий космос в канун Рождества 1963 года; С тех пор он продолжает непрерывно работать в том или ином качестве. [15]
Самые большие антенны DSN часто задействуются во время аварийных ситуаций на космических кораблях. Почти все космические корабли спроектированы таким образом, чтобы нормальную работу можно было осуществлять с использованием меньших (и более экономичных) антенн 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 мощность передатчика, чем обычно, проблемы с ориентацией могут препятствовать использованию антенн с высоким коэффициентом усиления , а восстановление каждого бита телеметрии имеет решающее значение для оценки состояния космического корабля и планирования восстановления. . Самый известный пример — миссия «Аполлон-13» , где ограниченный заряд батареи и невозможность использовать антенны космического корабля с высоким коэффициентом усиления снизили уровни сигнала ниже возможностей сети пилотируемых космических полетов , а также использование самых больших антенн DSN (и австралийских Parkes Радиотелескоп обсерватории ) имел решающее значение для спасения жизней космонавтов. Хотя «Аполлон» 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 средств DSN.
Хотя обычно Сеть дальнего космоса (DSN) занимается отслеживанием беспилотных космических кораблей, она также вносила вклад в связь и отслеживание миссий Аполлона на Луну , хотя основная ответственность лежала на Сети пилотируемых космических полетов (MSFN). DSN разработала станции MSFN для связи с Луной и предоставила вторую антенну на каждом сайте MSFN (именно по этой причине сайты MSFN находились рядом с сайтами DSN). Две антенны на каждой площадке были необходимы как для резервирования, так и потому, что ширина луча необходимых больших антенн была слишком мала, чтобы охватить одновременно лунный орбитальный аппарат и спускаемый аппарат. DSN также поставляла несколько более крупных антенн по мере необходимости, в частности, для телевизионных трансляций с Луны и экстренной связи, таких как Аполлон-13. [16]
Отрывок из отчета НАСА, описывающего, как DSN и MSFN сотрудничали для Аполлона: [17]
Еще один важный шаг в развитии сети Apollo произошел в 1965 году с появлением концепции DSN Wing. Первоначально участие 26-метровых антенн DSN во время миссии «Аполлон» должно было ограничиваться резервной ролью. Это была одна из причин, по которой 26-метровые площадки MSFN были совмещены с площадками DSN в Голдстоуне, Мадриде и Канберре. Однако присутствие двух хорошо разделенных космических кораблей во время лунных операций стимулировало переосмысление проблемы слежения и связи. Одна из идей заключалась в том, чтобы добавить двойную радиочастотную систему S-диапазона к каждой из трех 26-метровых антенн MSFN, оставив близлежащие 26-метровые антенны DSN по-прежнему в роли резерва. Однако расчеты показали, что 26-метровая диаграмма направленности антенны, сосредоточенная на приземляемом лунном модуле, будет иметь потери от 9 до 12 дБ на лунном горизонте, что сделает отслеживание и сбор данных орбитального модуля командной службы трудным, а возможно, и невозможным. Во время важнейших лунных операций имело смысл одновременно использовать антенны MSFN и DSN. Лаборатория реактивного движения, естественно, не хотела ставить под угрозу цели своих многочисленных беспилотных космических кораблей, передавая три своих станции DSN MSFN на длительные периоды времени. Как можно достичь целей «Аполлона» и исследования дальнего космоса, не построив третью 26-метровую антенну на каждой из трех площадок и не подорвав миссии по планетарным наукам?
Решение пришло в начале 1965 года на совещании в штаб-квартире НАСА, когда Эберхардт Рехтин предложил то, что сейчас известно как «концепция крыла». Подход к крылу предполагает строительство новой секции или «крыла» к главному зданию на каждой из трех задействованных площадок DSN. Крыло будет включать в себя диспетчерскую MSFN и необходимое интерфейсное оборудование для выполнения следующих задач:
- Разрешить отслеживание и двустороннюю передачу данных с любого космического корабля во время лунных операций.
- Разрешить сопровождение и двустороннюю передачу данных с объединенным космическим кораблем во время полета к Луне.
- Обеспечить резервное копирование для пассивного пути совмещенной площадки MSFN (радиоканалы «космический корабль — земля») космического корабля «Аполлон» во время транслунного и трансземного этапов.
Благодаря такому расположению станцию DSN можно было быстро переключить с миссии в дальний космос на миссию «Аполлон» и обратно. Персонал GSFC будет управлять оборудованием MSFN полностью независимо от персонала DSN. Миссии в дальний космос не были бы поставлены под угрозу так сильно, как если бы все оборудование и персонал станции были переданы Аполлону на несколько недель.
Подробности этого сотрудничества и работы доступны в двухтомном техническом отчете JPL. [18] [19]
Сеть является объектом НАСА и управляется и эксплуатируется для НАСА JPL, которая является частью Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт). Управление межпланетной сети (IND) управляет программой в рамках JPL и отвечает за ее разработку и эксплуатацию. IND считается координационным центром JPL по всем вопросам, касающимся телекоммуникаций, межпланетной навигации, информационных систем, информационных технологий, вычислений, разработки программного обеспечения и других соответствующих технологий. Хотя IND наиболее известен своими обязанностями, связанными с сетью дальнего космоса, организация также поддерживает усовершенствованную систему многоцелевых операций JPL (AMMOS) и институциональные вычислительные и информационные службы JPL (ICIS). [20] [21]
Объекты в Испании и Австралии находятся в совместной собственности и управляются совместно с государственными научными учреждениями. В Австралии « Организация научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO), уставный орган правительства Австралийского Содружества, учредила Отдел астрономии и космических наук CSIRO для управления повседневной эксплуатацией, проектированием и техническим обслуживанием космического корабля Канберра. Комплекс связи». [22] Большинство сотрудников Tidbinbilla — государственные служащие Австралии; земля и здания принадлежат правительству Австралии; НАСА обеспечивает большую часть финансирования, владеет движимым имуществом (например, посудой и электронным оборудованием), за которое оно заплатило, и решает, куда направить тарелки. [23] Аналогичным образом, в Испании «Ingenieria de Sistemas para la Defensa de España SA (ISDEFE), дочерняя компания, находящаяся в полной собственности Национального института аэрокосмической техники (INTA) и являющаяся частью Министерства обороны Испании, управляет и обслуживает Мадридский комплекс дальней космической связи (Мадрид)». [22]
Peraton (ранее Harris Corporation ) имеет контракт с JPL на эксплуатацию и обслуживание DSN. Ператон отвечает за управление комплексом Голдстоун, эксплуатацию DSOC, а также за операции DSN, планирование миссий, проектирование операций и логистику. [24] [25] [26]
Каждый комплекс состоит как минимум из четырех терминалов в дальнем космосе, оснащенных сверхчувствительными приемными системами и большими параболическими антеннами. Есть:
Пять из 34-метровых (112 футов) лучевых волноводных антенн были добавлены к системе в конце 1990-х годов. Три находились в Голдстоуне, по одному в Канберре и Мадриде. Вторая лучевая волноводная антенна длиной 34 метра (112 футов) (шестая в сети) была построена в мадридском комплексе в 2004 году.
Чтобы удовлетворить текущие и будущие потребности в услугах связи в дальнем космосе, на существующих площадках сети дальнего космоса пришлось построить ряд новых антенн дальней космической станции. В Канберрском комплексе дальней космической связи первый из них был завершен в октябре 2014 года (DSS35), а второй введен в эксплуатацию в октябре 2016 года (DSS36). [27] Новая 34-метровая антенна (DSS53) введена в эксплуатацию в мадридском комплексе в феврале 2022 года. [28]
К 2025 году 70-метровые антенны во всех трех точках будут выведены из эксплуатации и заменены 34-метровыми антеннами BWG, которые будут расположены в виде решетки. Все системы будут модернизированы, чтобы иметь возможности восходящей линии связи в X-диапазоне, а также возможности нисходящей линии связи в X-диапазоне и Ka. [29]
Общие возможности DSN существенно не изменились с начала межзвездной миссии «Вояджер» в начале 1990-х годов. Однако в DSN были приняты многие достижения в области цифровой обработки сигналов, формирования массивов и исправления ошибок.
Возможность объединения нескольких антенн была включена для улучшения данных, полученных во время встречи с Нептуном "Вояджера-2" , и широко использовалась в миссии Галилео , когда антенна космического корабля с высоким коэффициентом усиления не смогла развернуться, и в результате Галилео был вынужден прибегнуть к использованию исключительно от антенн с низким коэффициентом усиления. [30]
Массив DSN, доступный в настоящее время после миссии Галилео, может соединить 70-метровую (230 футов) параболическую антенну в комплексе Deep Space Network в Голдстоуне, Калифорния, с идентичной антенной, расположенной в Австралии, в дополнение к двум 34-метровым (112 футам) антеннам. ) антенны комплекса Канберра. Сайты в Калифорнии и Австралии использовались одновременно для установления связи с Галилео .
Также используется размещение антенн в трех точках DSN. Например, параболическую антенну длиной 70 метров (230 футов) можно объединить с антенной длиной 34 метра. Для особенно важных миссий, таких как «Вояджер-2» , к массиву могут быть добавлены средства, не относящиеся к DSN, обычно используемые для радиоастрономии. [31] В частности, 70-метровую (230 футов) антенну Канберры можно объединить с радиотелескопом Паркс в Австралии; а 70-метровую тарелку Голдстоуна можно объединить с Очень большой решеткой антенн в Нью-Мексико. [32] Кроме того, две или более 34-метровые (112 футов) антенны в одном месте DSN обычно располагаются вместе.
Все станции управляются дистанционно из централизованного Центра обработки сигналов на каждом комплексе. В этих центрах размещены электронные подсистемы, которые наводят и управляют антеннами, получают и обрабатывают данные телеметрии, передают команды и генерируют навигационные данные космического корабля. После обработки данных на комплексах они передаются в Лабораторию реактивного движения для дальнейшей обработки и распространения научным группам по современной сети связи.
Особенно на Марсе в пределах ширины луча антенны часто находится множество космических аппаратов. Для повышения эффективности работы одна антенна может одновременно принимать сигналы от нескольких космических аппаратов. Эта возможность называется « Несколько космических аппаратов на апертуру» или MSPA . В настоящее время ДСН может одновременно принимать до 4 сигналов космических аппаратов или МСПА-4. Однако в настоящее время апертуры не могут использоваться совместно для восходящей линии связи. Когда одновременно используются две или более мощных несущих, продукты интермодуляции очень высокого порядка попадают в полосы приемника, вызывая помехи для гораздо (на 25 порядков) более слабых принимаемых сигналов. [33] Таким образом, только один космический корабль одновременно может получить восходящий канал, хотя можно принять до 4.
Текущая система DSN имеет ряд ограничений и ряд будущих проблем.
DSN представляет собой часть эксперимента по радионауке, включенного в большинство миссий в дальний космос, где радиосвязь между космическим кораблем и Землей используется для исследования планетологии, космической физики и фундаментальной физики. Эксперименты включают в себя радиозатмения, определение гравитационного поля и небесную механику, бистатическое рассеяние, эксперименты с доплеровским ветром, определение характеристик солнечной короны и испытания фундаментальной физики. [39]
Например, Сеть дальнего космоса является одним из компонентов гравитационного научного эксперимента на Юноне . Сюда входит специальное коммуникационное оборудование на Юноне и используется его система связи. [40] DSN излучает восходящий канал Ka-диапазона, который принимается системой связи Ka- диапазона Juno , а затем обрабатывается специальным коммуникационным блоком под названием KaTS, а затем этот новый сигнал отправляется обратно в DSN. [40] Это позволяет определять скорость космического корабля с течением времени с таким уровнем точности, который позволяет более точно определить гравитационное поле на планете Юпитер. [40] [41]
Еще один радионаучный эксперимент — REX на космическом корабле «Новые горизонты» к Плутону-Харону. REX получил сигнал с Земли, когда она была покрыта Плутоном, чтобы провести различные измерения этой системы тел.