Pozemní segment - Ground segment

Zjednodušený systém kosmických lodí. Tečkované oranžové šipky označují rádiové spojení; plné černé šipky označují pozemní síťové odkazy. (Uživatelské terminály se pro přístup k prostředkům segmentu prostoru obvykle spoléhají pouze na jednu z označených cest.)

Celosvětová zařízení pozemního segmentu

Pozemní segment se skládá ze všech pozemních elementů jednoho kosmické lodi systému používaných provozovateli a pomocný personál, na rozdíl od kosmického segmentu a uživatelského segmentu. Pozemní segment umožňuje správu kosmické lodi a distribuci dat užitečného zatížení a telemetrii mezi zúčastněnými stranami na zemi. Primárními prvky pozemního segmentu jsou:

Pozemní (nebo pozemské) stanice , které poskytují rádiové rozhraní s kosmickými loděmi
Střediska řízení mise (neboli operací) , ze kterých jsou řízeny kosmické lodě
Pozemní sítě , které navzájem spojují ostatní zemní prvky
Vzdálené terminály používané pracovníky podpory
Integrace kosmických lodí a zkušební zařízení
Spouštěcí zařízení

Tyto prvky jsou přítomny téměř ve všech vesmírných misích, ať už komerčních, vojenských nebo vědeckých. Mohou být umístěny společně nebo geograficky odděleny a mohou být provozovány různými stranami. Některé prvky mohou podporovat více kosmických lodí současně.

Prvky

Pozemní stanice

Rozhlasové antény na pozemské stanici Embratel v Tanguá v Brazílii

Pozemní stanice poskytují rádiová rozhraní mezi vesmírnými a pozemními segmenty pro telemetrii, sledování a velení (TT&C), stejně jako přenos a příjem dat z nákladu. Sledování sítě, jako je NASA ‚s blízkosti Země sítě a Space Network , zvládnout komunikaci s roztroušenou kosmické lodi přes time-sharing .

Zařízení pozemních stanic lze monitorovat a ovládat na dálku , často prostřednictvím sériových a / nebo IP rozhraní. Typicky existují záložní stanice, ze kterých lze udržovat rádiový kontakt, pokud se na primární pozemní stanici vyskytne problém, který znemožňuje její provoz, například přírodní katastrofa. O těchto nepředvídaných událostech se uvažuje v plánu kontinuity operací .

Vysílání a příjem

Signály, které mají být odvysílány do kosmické lodi, musí být nejprve extrahovány z pozemních síťových paketů , kódovány do základního pásma a modulovány , obvykle na nosnou se střední frekvencí (IF), předtím, než budou převedeny na přidělené vysokofrekvenční pásmo (RF). RF signál je poté zesílen na vysoký výkon a přenášen přes vlnovod do antény pro přenos. V chladnějším podnebí mohou být nutné elektrické ohřívače nebo horkovzdušné dmychadla, aby se zabránilo hromadění ledu nebo sněhu na parabolické misce.

Přijaté ("downlinked") signály prochází přes nízkošumový zesilovač (často umístěný v anténním rozbočovači, aby se minimalizovala vzdálenost, kterou musí signál projít), než jsou převedeny dolů na IF; tyto dvě funkce lze kombinovat v nízkošumovém blokovém downconverteru . IF signál je poté demodulován a datový proud extrahován pomocí synchronizace a dekódování bitů a rámců . Chyby dat, jako jsou chyby způsobené degradací signálu , jsou identifikovány a pokud je to možné opraveny . Extrahovaný datový proud je pak paketován nebo uložen do souborů pro přenos v pozemních sítích. Pozemní stanice mohou dočasně ukládat přijatou telemetrii pro pozdější přehrávání do řídicích center, často když šířka pásma pozemní sítě není dostatečná k tomu, aby umožnila přenos všech přijatých telemetrií v reálném čase.

Jedna kosmická loď může využívat více RF pásem pro různé datové toky telemetrie, velení a užitečného zatížení , v závislosti na šířce pásma a dalších požadavcích.

Průkazy

Načasování průletů , pokud existuje přímá viditelnost kosmické lodi, je určeno umístěním pozemních stanic a vlastnostmi oběžné dráhy nebo trajektorie kosmické lodi . Vesmírná síť využívá geostacionární reléové satelity k rozšíření možností průchodu po horizontu.

Sledování a rozsah

Pozemní stanice musí sledovat kosmickou loď, aby správně nasměrovaly své antény , a musí počítat s Dopplerovým posunem vysokofrekvenčních frekvencí v důsledku pohybu kosmické lodi. Pozemní stanice mohou také provádět automatizované určování vzdálenosti ; rozsahové tóny mohou být multiplexovány povelovým a telemetrickým signálem. Data pozemní stanice a měření vzdálenosti jsou předávány do řídicího centra spolu s telemetrií kosmických lodí, kde jsou často používány při určování oběžné dráhy.

Centra kontroly mise

Řídicí centrum v Jet Propulsion Laboratory NASA

Centra řízení mise zpracovávají, analyzují a distribuují telemetrii kosmických lodí a vydávají příkazy , nahrávání dat a aktualizace softwaru pro kosmické lodě. U kosmických lodí s posádkou řídí řízení mise hlasovou a video komunikaci s posádkou. Řídicí střediska mohou být také odpovědná za správu konfigurace a archivaci dat . Stejně jako u pozemních stanic jsou obvykle k dispozici záložní řídicí zařízení pro podporu kontinuity provozu.

Telemetrické zpracování

Řídicí centra používají telemetrii k určení stavu kosmické lodi a jejích systémů. Úklid, diagnostika, věda a další typy telemetrie lze provádět na samostatných virtuálních kanálech . Software pro řízení letu provádí počáteční zpracování přijaté telemetrie, včetně:

Oddělení a distribuce virtuálních kanálů
Časové řazení a kontrola mezer přijatých rámců (mezery lze vyplnit povelem opakovaného přenosu)
Decommutation of parameter values, and associated of these values with parameter names called mnemonics
Převod nezpracovaných dat na kalibrované (technické) hodnoty a výpočet odvozených parametrů
Kontrola omezení a omezení (což může generovat upozornění)
Generování telemetrických displejů, které mohou být tabulkové, grafické ( grafy parametrů proti sobě nebo v čase) nebo synoptické (grafika orientovaná na rozhraní).

Vyzývá se databáze kosmických lodí poskytovaná výrobcem kosmických lodí, která poskytuje informace o formátování telemetrických rámců, pozicích a frekvencích parametrů v rámcích a jejich přidružené mnemotechnické pomůcky, kalibrace a měkké a tvrdé limity. Obsah této databáze - zejména kalibrace a limity - lze pravidelně aktualizovat, aby byla zachována konzistence s integrovaným softwarem a provozními postupy; tyto se mohou během života mise měnit v reakci na upgrady , degradaci hardwaru v prostředí vesmíru a změny parametrů mise.

Velící

Příkazy odeslané do kosmické lodi jsou formátovány podle databáze kosmických lodí a před odesláním přes pozemní stanici jsou ověřeny proti databázi . Příkazy mohou být vydávány ručně v reálném čase nebo mohou být součástí automatizovaných nebo poloautomatických postupů. Příkazy úspěšně přijaté kosmickou lodí jsou typicky potvrzovány v telemetrii a pro zajištění synchronizace je na kosmické lodi a na zemi udržován čítač příkazů. V určitých případech může být provedeno řízení v uzavřené smyčce . Přikázané činnosti se mohou týkat přímo cílů mise nebo mohou být součástí úklidu . Příkazy (a telemetrie) mohou být šifrovány, aby se zabránilo neoprávněnému přístupu ke kosmické lodi nebo jejím datům.

Postupy kosmické lodi jsou obecně vyvíjeny a testovány na simulátoru kosmické lodi před použitím se skutečnou kosmickou lodí.

Analýza a podpora

Centra řízení mise se mohou při zpracování analytických úkolů spoléhat na subsystémy zpracování dat „offline“ (tj. V reálném čase ) , například:

Stanovení oběžné dráhy a plánování manévru
Posouzení spojení a plánování zamezení kolizím
Plánování a plánování misí
Integrovaná správa paměti
Krátkodobá a dlouhodobá analýza trendů
Plánování cesty , v případě planetárních vozítek

V řídicím středisku mohou být poskytnuty vyhrazené fyzické prostory pro určité role podpory mise, jako je letová dynamika a řízení sítě , nebo tyto role mohou být zpracovávány prostřednictvím vzdálených terminálů mimo řídící středisko. Jak se zvýšil výpočetní výkon na palubě a složitost letového softwaru , existuje trend směrem k automatizovanějšímu zpracování dat na palubě kosmické lodi .

Personální obsazení

Řídicí střediska mohou být nepřetržitě nebo pravidelně obsazována letovými dispečery . Personál je obvykle největší v raných fázích mise a během kritických postupů a období. Stále častěji mohou být zřízena řídící centra pro neosádkové kosmické lodě pro provoz „light-out“ (nebo automatizovaný ) jako prostředek kontroly nákladů. Software pro řízení letu obvykle generuje upozornění na významné události - plánované i neplánované - v pozemním nebo vesmírném segmentu, které mohou vyžadovat zásah operátora.

Pozemní sítě

Pozemní sítě zpracovávají přenos dat a hlasovou komunikaci mezi různými prvky pozemního segmentu. Tyto sítě často kombinují prvky LAN a WAN , za které mohou být odpovědné různé strany. Geograficky oddělené prvky mohou být připojeny prostřednictvím pronajatých linek nebo virtuálních privátních sítí . Návrh pozemních sítí je řízen požadavky na spolehlivost , šířku pásma a bezpečnost .

Spolehlivost je obzvláště důležitým hlediskem pro kritické systémy , přičemž doba provozu a střední doba do zotavení jsou nanejvýš důležité. Stejně jako u ostatních aspektů systému kosmických lodí je redundance síťových komponent primárním prostředkem k dosažení požadované spolehlivosti systému.

Pro ochranu vesmírných zdrojů a citlivých dat jsou zásadní bezpečnostní aspekty. Odkazy WAN často obsahují šifrovací protokoly a brány firewall, které poskytují informace a zabezpečení sítě . Antivirový software a systémy detekce narušení poskytují další zabezpečení v koncových bodech sítě.

Vzdálené terminály

Vzdálené terminály jsou rozhraní v pozemních sítích, oddělená od řídícího střediska mise, ke kterým mohou přistupovat řadiči užitečného zatížení , analytici telemetrie, týmy přístrojů a vědy a podpůrný personál, jako jsou správci systému a týmy pro vývoj softwaru . Mohou být pouze pro příjem nebo mohou přenášet data do pozemní sítě.

Terminály používané zákazníky služeb , včetně poskytovatelů internetových služeb a koncových uživatelů , se souhrnně nazývají „uživatelský segment“ a obvykle se odlišují od pozemního segmentu. Uživatelské terminály včetně systémů satelitní televize a satelitních telefonů komunikují přímo s kosmickými loděmi, zatímco jiné typy uživatelských terminálů spoléhají na pozemní segment pro příjem, přenos a zpracování dat.

Integrace a testovací zařízení

Vesmírná vozidla a jejich rozhraní jsou sestavována a testována v zařízeních pro integraci a testování (I&T). Mise specifický I&T poskytuje příležitost plně otestovat komunikaci mezi kosmickou lodí a pozemním segmentem před zahájením startu a jejich chování.

Spouštěcí zařízení

Vozidla jsou dodávána do vesmíru prostřednictvím odpalovacích zařízení , která zajišťují logistiku startů raket. Spouštěcí zařízení jsou obvykle připojena k pozemní síti k přenosu telemetrie před a během startu. Samotná nosná raketa je někdy považována za „přenosový segment“, který lze považovat za odlišný od vesmírného i pozemního segmentu.

Náklady

Náklady spojené se založením a provozem pozemního segmentu jsou velmi variabilní a závisí na účetních metodách. Podle studie Delft University of Technology představuje pozemní segment přibližně 5% celkových nákladů na vesmírný systém. Podle zprávy společnosti RAND Corporation o misích malých kosmických lodí NASA samotné provozní náklady přispívají 8% k celoživotním nákladům typické mise, přičemž integrace a testování tvoří dalších 3,2%, pozemní zařízení 2,6% a pozemní systémové inženýrství 1,1 %.

Ovladače nákladů pozemního segmentu zahrnují požadavky kladené na vybavení, hardware, software, připojení k síti, zabezpečení a personální zajištění. Zejména náklady na pozemní stanici do značné míry závisí na požadovaném vysílacím výkonu, vysokofrekvenčním pásmu (pásmech) a vhodnosti již existujících zařízení. Řídicí centra mohou být vysoce automatizovaná jako prostředek kontroly nákladů na zaměstnance.

snímky

Anténa patřící do sítě Deep Space Network
Řídicí centrum operací kosmického dalekohledu v Goddardově středisku kosmických letů , během servisu Hubblova kosmického dalekohledu
Integrace letu hardwaru v JAXA zařízení v Tsukuba , Japonsko
Vyřazeno z provozu místo startu v Guyanském vesmírném středisku