Наземный сегмент - Ground segment - Wikipedia

Упрощенная система космического корабля. Пунктирные оранжевые стрелки обозначают радиосвязь; сплошные черные стрелки обозначают наземные сетевые связи. (Пользовательские терминалы обычно полагаются только на один из указанных путей для доступа к ресурсам космического сегмента.)

А наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космический корабль система используется операторами и обслуживающим персоналом, в отличие от космический сегмент и пользовательский сегмент.[1][2]:1 Наземный сегмент позволяет управлять космическим кораблем и распределять данные полезной нагрузки и телеметрия среди заинтересованных сторон на местах. Основными элементами наземного сегмента являются:

Эти элементы присутствуют почти во всех космических полетах, будь то коммерческие, военные или научные. Они могут быть расположены вместе или разделены географически, и ими могут управлять разные стороны.[5][6]:25 Некоторые элементы могут поддерживать одновременно несколько космических аппаратов.[7]:480,481

Элементы

Наземные станции

Смотрите также: Наземная станция
Радио тарелки в Embratel земная станция в Тангуа, Бразилия

Наземные станции обеспечивают радио интерфейсы между космическим и наземным сегментами для телеметрии, слежения и управления (TT&C), а также для передачи и приема данных полезной нагрузки.[6]:4[8][9] Сети отслеживания, такие как НАСА с Околоземная сеть и Космическая сеть, поддерживать связь с несколькими космическими кораблями через совместное времяпровождение.[3]:22

Оборудование наземной станции может быть контролируется и контролируется удаленно, часто через серийный и / или IP интерфейсы. Обычно существуют резервные станции, с которыми можно поддерживать радиосвязь, если на основной наземной станции есть проблема, которая делает ее неработоспособной, например, стихийное бедствие. Такие непредвиденные обстоятельства рассматриваются в Непрерывность работы строить планы.

Передача и прием

Сигналы быть связанный к космическому кораблю необходимо сначала извлечь с земли сетевые пакеты, закодированный к основная полоса, и модулированный,[10] обычно на промежуточная частота (IF) перевозчик, прежде чем быть преобразованный назначенному радиочастота (RF) диапазон. Радиочастотный сигнал затем усиленный к высокой мощности и через волновод чтобы антенна для передачи. В более холодном климате могут потребоваться электрические обогреватели или нагнетатели горячего воздуха, чтобы предотвратить накопление льда или снега на параболической тарелке.

Полученные ("нисходящие") сигналы проходят через малошумящий усилитель (часто расположен в концентраторе антенны, чтобы минимизировать расстояние, на которое должен пройти сигнал) перед преобразованием с понижением частоты в ПЧ; эти две функции могут быть объединены в малошумящий блочный понижающий преобразователь. Тогда сигнал ПЧ демодулированный, и поток данных, извлеченный через немного и кадровая синхронизация и расшифровка.[10] Ошибки данных, например, вызванные сигналом деградация, находятся выявлено и исправлено где возможно.[10] Затем извлеченный поток данных упакованный или сохранены в файлы для передачи по наземным сетям. Наземные станции могут временно магазин полученные телеметрические данные для последующего воспроизведения в центрах управления, часто когда пропускная способность наземной сети недостаточна для передачи всей принятой телеметрии в реальном времени.

Один космический аппарат может использовать несколько радиочастотных диапазонов для различных данных телеметрии, команд и полезной нагрузки. потоки в зависимости от пропускной способности и других требований.

Проходит

Сроки проходит, когда существует прямая видимость космического корабля, определяется расположением наземных станций и характеристиками космического корабля. орбита или траектория.[11] Космическая сеть использует геостационарный спутники ретрансляции чтобы расширить возможности прохода за горизонт.

Отслеживание и ранжирование

Наземные станции должны трек космический корабль, чтобы направить свои антенны должным образом и должен учитывать Доплеровское смещение радиочастот за счет движения космического корабля. Наземные станции также могут выполнять автоматизированные ранжирование; диапазон тонов может быть мультиплексированный с сигналами управления и телеметрии. Данные наземной станции слежения и дальности передаются в центр управления вместе с телеметрией космического корабля, где они часто используются для определения орбиты.

Центры управления полетами

Смотрите также: Список центров управления полетами
Центр управления НАСА Лаборатория реактивного движения

Центры управления полетами обрабатывают, анализируют и распределяют космические аппараты телеметрия, и выпуск команды, данные загружает, и программные обновления к космическому кораблю. Для пилотируемых космических кораблей центр управления полетами обеспечивает голосовую и видеосвязь с экипажем. Центры управления также могут нести ответственность за управление конфигурацией и данные архивный.[7]:483 Как и в случае с наземными станциями, обычно имеются резервные средства управления, обеспечивающие непрерывность работы.

Обработка телеметрии

Центры управления используют телеметрию для определения статуса космического корабля и его систем.[3]:485 Хозяйственная, диагностическая, научная и другие виды телеметрии могут осуществляться на отдельных виртуальные каналы. Программное обеспечение управления полетом выполняет первоначальную обработку полученной телеметрии, в том числе:

  1. Разделение и распространение виртуальные каналы[3]:393
  2. Упорядочивание по времени и проверка пробелов полученных кадры (пробелы могут быть заполнены командой на повторную передачу)
  3. Декоммутация значений параметров,[10] и связь этих значений с именами параметров называется мнемоника
  4. Преобразование необработанных данных в откалиброванный (инженерные) значения и расчет производных параметров[7]:483
  5. Проверка пределов и ограничений (которая может генерировать оповещения)[3]:479[7]:484
  6. Формирование телеметрических дисплеев, которые могут быть табличными, графическими (участки параметров относительно друг друга или с течением времени), или синоптического (интерфейсно-ориентированная графика).[7]:484

Космический корабль база данных Предоставляемая производителем космического корабля, призвана предоставить информацию о форматировании кадра телеметрии, положениях и частотах параметров в кадрах, а также связанной с ними мнемонике, калибровках, а также мягких и жестких пределах.[7]:486 Содержимое этой базы данных - особенно калибровки и пределы - может периодически обновляться для обеспечения согласованности с бортовым программным обеспечением и рабочими процедурами; они могут измениться в течение жизненного цикла миссии в ответ на обновления, деградация оборудования в космическая среда, и изменения параметров миссии.[12]:399

Командующий

Команды, отправляемые на космический корабль, форматируются в соответствии с базой данных космических кораблей и подтверждено против базы данных перед передачей через наземная станция. Команды могут подаваться вручную в режиме реального времени или могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур.[7]:485 Как правило, команды, успешно полученные космическим кораблем, подтверждаются телеметрией.[7]:485 и счетчик команд поддерживается на космическом корабле и на земле для обеспечения синхронизации. В некоторых случаях управление с обратной связью может быть выполнено. Действия под командованием могут иметь прямое отношение к целям миссии, или они могут быть частью ведение домашнего хозяйства. Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованный для предотвращения несанкционированного доступа к космическому кораблю или его данным.

Процедуры для космических аппаратов обычно разрабатываются и проверяются на космических аппаратах. симулятор перед использованием на реальном космическом корабле.[13]:488

Анализ и поддержка

Центры управления полетами могут полагаться на "офлайн" (т. Е. Нев реальном времени ) обработка данных подсистемы для обработки аналитических задач[3]:21[7]:487 такие как:

Выделенные физические пространства могут быть предоставлены в центре управления для определенных ролей поддержки миссии, таких как динамика полета и сеть контроль[3]:475 или эти роли могут выполняться через удаленные терминалы вне центра управления. Как на борту вычислительная мощность и программное обеспечение для полета сложность возросла, наблюдается тенденция к более автоматизированной обработке данных на борту космического корабля.[16]:2–3

Кадровое обеспечение

Центры управления могут быть непрерывно или регулярно укомплектованный контроллеры полета. Укомплектованность персоналом обычно наиболее высока во время ранние фазы миссии,[3]:21 и во время критический процедуры и периоды.[16] Все чаще центры управления беспилотными космическими кораблями могут быть настроены на «отключение света» (или автоматизированный ) эксплуатация, как средство контроля затрат.[16] Рейс контроль программное обеспечение обычно генерирует уведомления значительных событий - как запланированных, так и внеплановых - в наземном или космическом сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора.[16]

Наземные сети

Земля сети обрабатывать передачу данных и голосовую связь между различными элементами наземного сегмента.[7]:481–482 Эти сети часто объединяют LAN и WAN элементы, за которые могут нести ответственность разные стороны. Географически разнесенные элементы могут быть соединены через арендованные линии или виртуальные частные сети.[7]:481 Проектирование наземных сетей определяется требованиями надежность, пропускная способность, и безопасность.

Надежность - особенно важный фактор для критические системы, с участием время безотказной работы и среднее время до выздоровления вызывает первостепенное беспокойство. Как и в случае с другими аспектами системы космического корабля, избыточность компонентов сети является основным средством достижения требуемой надежности системы.

Соображения безопасности жизненно важны для защиты космических ресурсов и конфиденциальных данных. Ссылки WAN часто включают шифрование протоколы и брандмауэры предоставлять Информация и сетевая безопасность. Антивирусная программа и системы обнаружения вторжений обеспечить дополнительную безопасность на конечных точках сети.

Удаленные терминалы

Удаленные терминалы - это интерфейсы в наземных сетях, отдельные от центра управления полетами, к которым может получить доступ полезная нагрузка контроллеры, телеметрические аналитики, инструмент и наука команды и поддержка персонал, такой как системные администраторы и разработка программного обеспечения команды. Они могут быть только для приема или могут передавать данные в наземную сеть.

Терминалы, используемые оказание услуг клиентов, в том числе Интернет-провайдеры и конечные пользователи, все вместе называются «пользовательским сегментом» и обычно отличаются от наземного сегмента. Пользовательские терминалы, включая спутниковое телевидение системы и спутниковые телефоны обмениваются данными напрямую с космическими аппаратами, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на наземный сегмент для приема, передачи и обработки данных.

Средства интеграции и тестирования

Космические аппараты и их интерфейсы собираются и испытываются на интеграция и тестирование (I&T) объекты. I&T для конкретных задач дает возможность полностью проверить связь и поведение как космического корабля, так и наземного сегмента до запуска.[7]:480

Стартовые объекты

Транспортные средства доставляются в космос через пусковые установки, которые занимаются логистикой запусков ракет. Стартовые средства обычно подключаются к наземной сети для ретрансляции телеметрии до и во время запуска. В ракета-носитель иногда говорят, что он представляет собой «переходный сегмент», который можно рассматривать как отдельный от космического и наземного сегментов.[3]:21

Расходы

Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно различаются.[17] и зависят от методов учета. Согласно исследованию Делфтский технологический университет,[Примечание 1] наземный сегмент составляет примерно 5% от общей стоимости космической системы.[18] Согласно отчету RAND Corporation в миссиях малых космических аппаратов НАСА одни только эксплуатационные расходы составляют 8% от стоимости срока службы типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземное оборудование - 2,6% и наземное проектирование систем - 1,1%.[19]:10

Наземный сегмент стоить драйверы включают требования, предъявляемые к помещениям, оборудованию, программному обеспечению, сетевым соединениям, безопасности и укомплектованию персоналом.[20] Затраты на наземные станции, в частности, в значительной степени зависят от требуемой мощности передачи, радиочастотного диапазона (ов) и пригодности ранее существовавших средств.[17]:703 Центры управления могут быть в высокой степени автоматизированы как средство контроля затрат на персонал.[16]

  1. ^ На основе модели, описанной в Анализ и проектирование космических миссий, третье издание, Джеймс В. Верц и Вили Дж. Ларсон

Картинки

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Наземный сегмент». SKY Perfect JSAT Group Международный. Архивировано из оригинал 20 сентября 2015 г.. Получено 5 ноября 2015.
  2. ^ а б c d Эльберт, Брюс (2014). Справочник по наземному сегменту спутниковой связи и земной станции (2-е изд.). Артек Хаус. п. 141. ISBN  978-1-60807-673-4.
  3. ^ а б c d е ж г час я j k Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Халльманн, Вилли, ред. (2008). Справочник по космической технике. Wiley. ISBN  978-0470742419. Получено 30 декабря 2015.
  4. ^ «Наземный сегмент ДЗЗ». Европейское космическое агентство. Получено 5 ноября 2015.
  5. ^ «Обзор наземного сегмента». Европейское космическое агентство. Получено 5 ноября 2015.
  6. ^ а б Рейнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проектирования наземного сегмента для миссий наблюдения Земли» (PDF). Летняя школа Альпбаха.
  7. ^ а б c d е ж г час я j k л м п Шатель, Франк (2011). «Наземный сегмент». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN  9780470750124.
  8. ^ «Радиочастотные компоненты». SKY Perfect JSAT Group Международный. Получено 5 ноября 2015.
  9. ^ «Земные станции / телепорты - хаб». SKY Perfect JSAT Group Международный. Получено 5 ноября 2015.
  10. ^ а б c d «Глава 10: Телекоммуникации». Основы космических полетов. НАСА Лаборатория реактивного движения. Получено 28 декабря 2015.
  11. ^ Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые созвездия: типы орбит, использование и связанные с ними факты (PDF). ИСУ Летняя сессия. Получено 17 ноября 2015.
  12. ^ Шериф, Рэй Э .; Татналл, Адриан Р. Л. (2011). «Телекоммуникации». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN  9780470750124.
  13. ^ Fillery, Nigel P .; Стэнтон, Дэвид (2011). «Телеметрия, управление, обработка и обработка данных». В Фортескью, Питер; Суинерд, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Вайли. С. 467–494. ISBN  9780470750124.
  14. ^ «Глава 13: Навигация космического корабля». Основы космических полетов. НАСА Лаборатория реактивного движения. Получено 28 декабря 2015.
  15. ^ Улиг, Томас; Селлмайер, Флориан; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Операции космического корабля. Springer-Verlag. ISBN  978-3-7091-1802-3. Получено 28 декабря 2015.
  16. ^ а б c d е «Оперативный персонал». Документы по передовой практике спутниковой связи. Технический комитет по космическим операциям и поддержке, Американский институт аэронавтики и астронавтики. Получено 28 декабря 2015.
  17. ^ а б Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи. Springer Science + Business Media. ISBN  1461530067. Получено 8 января 2016.
  18. ^ Зандберген, B.T.C., "Стоимость системы ROM", Оценка стоимости элементов космической системы, версия 1.02, заархивировано из оригинал (Таблица Excel) 26 января 2016 г., получено 8 января 2016
  19. ^ де Век, Оливье; де Неввиль, Ричард; Чанг, Даррен; Шез, Матье. «Технический успех и экономический провал». Коммуникационные спутниковые группировки (PDF). Массачусетский Институт Технологий. Архивировано из оригинал (PDF) на 2005-05-09. Получено 2016-01-12.
  20. ^ Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель стоимости земли (G-COST) для военных систем». Международная конференция по спутниковым системам связи AIAA. Американский институт аэронавтики и астронавтики: 1416–1421. Дои:10.2514/6.1996-1111.