Америкалық коммуникациялық спутниктік желісі

Кіріспе

АҚШ коммуникациялық спутниктерінің желісі

АҚШ-тың Бақылау және деректер релелік спутниктік жүйесі (TDRSS) – NASA ғарыш байланысы үшін пайдаланатын американдық коммуникациялық спутниктерінен (әрқайсысы Бақылау және деректер релелік спутнигі, TDRS деп аталады) және жер станцияларынан тұратын желі. Бұл жүйе NASA-ның барлық ұшқыштармен ұшқан миссияларын қолдаған жердегі станциялар желісін алмастыру мақсатымен жасалды. Басты жобалау мақсаты – ғарыш аппараттарының жермен байланыста болу уақытын ұзарту және берілетін деректер көлемін арттыру. Көптеген Бақылау және деректер релелік спутниктері 1980 және 1990 жылдары ғарыш кемесімен бірге ұшырылды, олар Инерциялық жоғарғы сатыны – ғарыш кемесі үшін әзірленген екі сатылы қатты отынды ракеталық күштеу құралын пайдаланды. Басқа TDRS спутниктері Atlas IIa және Atlas V ракеталарымен ұшырылды. Спутниктердің ең соңғы буыны S жолағында 6 Мбит/с, ал Ku және Ka жолақтарында 800 Мбит/с жерден қабылдау жылдамдығын қамтамасыз етеді. Бұл негізінен АҚШ әскері тарапынан қолданылады.

Шығу тегі

Ұзақ уақытқа созылатын, жоғары сенімділікпен қамтамасыз етілген, ғарыштан жерге байланыс қажеттілігін қанағаттандыру үшін NASA 1960-шы жылдардың басында Ғарыш кемелерін бақылау және деректерді алу желісін (STADAN) құрды. Әлемде орналастырылған параболалық антенналар мен телефондық коммутациялық жабдықтардан тұратын STADAN, 90 минуттық орбиталық айналымның шамамен 15 минуты бойы ғарыштан жерге байланыс қамтамасыз етті. Бұл шектеулі байланыс мерзімі адамсыз ғарыш кемелері үшін жеткілікті болды, бірақ адамды ғарышқа ұшқан кемелерге әлдеқайда көп деректерді жинау уақыты қажет болды. STADAN құрылғаннан кейін, 1960-шы жылдардың басында құрылған, Адамды космосқа ұшу желісі (MSFN) деп аталатын қосымша желі, Жер орбитасындағы адамды ғарышқа ұшқан кемелермен өзара әрекеттесті. Тағы бір желі, Deep Space Network (DSN), Apollo миссиялары сияқты, Жерден 10,000 мильден жоғары қашықтықтағы ғарыш кемелерімен байланыс жасады, оның негізгі міндеті терең ғарыштан зерттеулерден деректерді жинау болды. 1970-шы жылдардың ортасында ғарыш шаттлының пайда болуымен жоғары өнімділікке ие, ғарышқа негізделген байланыс жүйесіне қажеттілік туды. Аполлон бағдарламасы аяқталғаннан кейін NASA, MSFN және STADAN ұқсас мүмкіндіктерге ие болғанын түсінді және екі желіні біріктіріп, Ғарыш кемелерін бақылау және деректер желісін (STDN) құруға шешім қабылдады. Біріктірілгеннен кейін де STDN-нің кейбір кемшіліктері болды. Желінің барлық бөлігі әлемге тараған жер станцияларынан тұрғандықтан, олар қабылдаушы елдердің саяси шешімдеріне тәуелді болды. Жоғары сенімділік деңгейін және деректерді беру жылдамдығын сақтау үшін NASA, жүйені ғарышқа негізделген байланыс тораптарымен күшейтуді зерттеуді бастады. Жаңа жүйенің ғарыш сегменті геостационарлық орбитадағы спутниктерге негізделді. Өз орналасуының арқасында бұл спутниктер төмен орбитадағы спутниктерге деректерді жіберіп, қабылдап алатын болды және жер станциясының көз алдында қала беретін еді. Операциялық TDRSS шоқжұлдызында екі спутник – TDE және TDW (шығыс және батыс үшін) және орбитадағы бір қосалқы спутник пайдаланылатын болады. Зерттеу аяқталғаннан кейін NASA, 100% жаһандық қамтуды қамтамасыз ету үшін жүйеге шағын түзетулер енгізу қажеттігін түсінді. Кішкентай аймақ, белгілі бір спутниктердің көру аймағына кірмейтін "Қабылдамау аймағы" (ZOE) болып табылады. ZOE болғандықтан, TDRS спутнигі белгілі бір биіктіктен (646 теңіз милі) төмен орналасқан ғарыш кемесімен байланыс жасай алмайтын еді. ZOE-ні қамту үшін және жақын жердегі жер станциясын қосу арқылы 100% қамтуға қол жеткізуге болады. Ғарыш желісі зерттеуі қазіргі TDRSS желісінің жобалау жоспарына айналған жүйені жасады. 1960-шы жылдардың өзінде NASA-ның Қолданбалық технология спутнигі (ATS) және Қарыштамалық байланыс технологиясы спутнигі (ACTS) бағдарламалары TDRSS және басқа коммерциялық байланыс спутниктерінде қолданылатын көптеген технологиялардың прототиптерін жасады, соның ішінде жиілікті бөлумен көптеген қатынастар (FDMA), үш осьті ғарыш кемелерін тұрақтандыру және жоғары өнімділікке ие байланыс технологиялары. 2009 жылдан бастап TDRS жобасының менеджері – Джефф Дж. Грамлинг, NASA Годдард ғарыш ұшу орталығы. Роберт П. Бьюкенен, жобаның менеджерінің орынбасары, 41 жылдық еңбек жолынан кейін NASA-да TDRS соңғы миссиясының бірі ретінде зейнеткерлікке шықты. Boeing TDRS K құрылысына жауапты.

To satisfy the requirement for long duration, highly available space to ground communications, NASA created the Spacecraft Tracking and Data Acquisition Network (STADAN) in the early 1960s. Consisting of parabolic dish antennas and telephone switching equipment deployed around the world, the STADAN provided space to ground communications for approximately 15 minutes of a 90 minute orbit period. This limited contact period sufficed for uncrewed spacecraft, but crewed spacecraft require a much higher data collection time. A side by side network established right after STADAN in the early 1960s, called the Manned Space Flight Network (MSFN), interacted with crewed spacecraft in Earth orbit. Another network, the Deep Space Network (DSN), interacted with crewed spacecraft higher than 10,000 miles from Earth, such as the Apollo missions, in addition to its primary mission of data collection from deep space probes. With the creation of the Space Shuttle in the mid 1970s, a requirement for a higher performance space based communication system arose. At the end of the Apollo program, NASA realized that MSFN and STADAN had evolved to have similar capabilities and decided to merge the two networks to create the Spacecraft Tracking and Data Network (STDN). Even after consolidation, STDN had some drawbacks. Since the entire network consisted of ground stations spread around the globe, these sites were vulnerable to the political whims of the host country. In order to maintain a high reliability rate coupled with higher data transfer speeds, NASA began a study to augment the system with space based communication nodes. The space segment of the new system would rely upon satellites in geostationary orbit. These satellites, by virtue of their position, could transmit and receive data to lower orbiting satellites and still stay within sight of the ground station. The operational TDRSS constellation would use two satellites, designated TDE and TDW (for east and west), and one on orbit spare. After the study was completed, NASA realized that a minor system modification was needed to achieve 100% global coverage. A small area would not be within line of sight of any satellites – a so called Zone of Exclusion (ZOE). With the ZOE, neither TDRS satellite could contact a spacecraft under a certain altitude (646 nautical miles). With the addition of another satellite to cover the ZOE and ground station nearby, 100% coverage could exist. The space based network study created a system that became the plan for the present day TDRSS network design. As early as the 1960s, NASA's Application Technology Satellite (ATS) and Advanced Communications Technology Satellite (ACTS) programs prototyped many of the technologies used on TDRSS and other commercial communications satellites, including frequency division multiple access (FDMA), three axis spacecraft stabilization and high performance communications technologies. as of 2009, TDRS project manager is Jeff J. Gramling, NASA Goddard Space Flight Center. Robert P. Buchanan, Deputy Project Manager, retired after 41 years at NASA with TDRS as one of final missions. Boeing is responsible for the construction of TDRS K.

Желілік

TDRSS көптеген басқа ғарыш жүйелері сияқты үш сегменттен құралған: жердегі, ғарыштағы және пайдаланушы сегменттері. Бұл үш сегмент миссияны орындау үшін бірлесіп жұмыс істейді. Кез келген сегментте туындаған төтенше жағдай немесе іркіліс жүйенің қалған бөлігіне күшті зиян келтіруі мүмкін. Сондықтан барлық сегменттерде қосымша мүмкіндіктер қарастырылған.

STDN-ге енгізу

Ғарыш ұшуын қадағалау және деректер желісінің (STDN) негізгі бөліктері: NASA интеграцияланған қызметтер желісі (NISN), желілік басқару орталығы (NCC), миссиялық операциялар орталығы (MOC), ғарыш аппараттары деректерін өңдеу құрылысы (SDPF) және көп миссиялық ұшу динамикасы зертханасы (MMFD). NISN ғарыш миссиялары үшін деректерді берудің негізгі арнасын қамтамасыз етеді. Бұл NASA-ның барлық кәсіпорындары, бағдарламалары және орталықтары үшін деректерді, бейнелерді және дауысты беруге арналған тиімді, кең аумақты телекоммуникациялық қызмет. STDN-нің бұл бөлігі желілік трафик ағынын бақылауға арналған инфрақұрылым мен компьютерлерден тұрады, мысалы, оптикалық талшық байланыстары, маршрутизаторлар және коммутаторлар. Деректер NISN арқылы екі жолмен өте алады: Интернет протоколы операциялық желісі (IPONET) немесе жоғары жылдамдықты деректер жүйесі (HDRS) арқылы. IPONET Интернетке қосылған барлық компьютерлерге ортақ TCP/IP протоколын пайдаланады және деректерді жіберудің стандартты тәсілі болып табылады. Жоғары жылдамдықты деректер жүйесі арнайы миссиялар үшін 2 Мбит/с-тан 48 Мбит/с-қа дейінгі деректер жылдамдықтарын қамтамасыз етеді, оларға деректерді жоғары жылдамдықпен беру қажет. HDRS IPONET сияқты деректерді жіберу үшін маршрутизаторлардың, коммутаторлардың және шлюздердің инфрақұрылымын қажет етпейді. NCC қызметтерді жоспарлау, басқару, кепілдік беру және есеп беруді қамтамасыз етеді. Қызметтерді жоспарлау пайдаланушылардың сұраныстарын қабылдайды және ақпаратты тиісті SN элементтеріне жібереді. Қызметтерді басқару және кепілдік беру TDRSS өнімділігі туралы деректерді қабылдау, тексеру, көрсету және тарату сияқты нақты уақыт пайдалану функцияларын қолдайды. Қызметтердің есеп беруі NCC және желі ресурстарын пайдалану туралы есептерді ұсынады. NCC бастапқыда 2000 жылға дейін Мэриленд штатының Гринбелт қаласындағы Годдард ғарыш ұшу орталығында орналасқан, содан кейін WSC-ге көшірілді. MOC ғарыш аппараттарын басқарудың орталық нүктесі болып табылады. Ол қолдау сұраныстарын жоспарлайды, ғарыш аппаратының жұмысын қадағалайды және басқару ақпаратын ғарыш аппаратына (TDRSS арқылы) жібереді. MOC негізгі зерттеушілер, миссия жоспарлаушылар және ұшу операторларынан тұрады. Негізгі зерттеушілер SN қолдауына өтініштер жібереді. Миссия жоспарлаушылар ғарыш аппараты мен оның миссиясы туралы құжаттаманы ұсынады. Ал ұшу операторлары ғарыш аппаратына командаларды жіберіп, операцияларды орындайды. MMFD зертханасы ұшу жобаларына және қадағалау желісіне қолдау көрсетеді. Ұшу жобасына қолдау орбиталық және кеңістіктік бағытты анықтау мен басқаруды қамтиды. Орбиталық параметрлер миссиялық ғарыш аппаратының нақты орбитасы арқылы қадағаланады және оның болжамды орбитасымен салыстырылады. Кеністіктік бағытты анықтау ғарыш аппаратының белгілі нысаналарға (күн, ай, жұлдыздар немесе Жердің магнит өрісіне) қатысты бағытын сипаттайтын параметрлер жиынтығын есептейді. Қадағалау желісіне қолдау қадағалау деректерінің сапасын талдайды және бағалайды.

The major parts of the Space Flight Tracking and Data Network (STDN) are: the NASA Integrated Services Network (NISN), network control center (NCC), mission operations center (MOC), spacecraft data processing facility (SDPF), and the multi mission flight dynamics lab (MMFD). NISN provides the data transfer backbone for space missions. It is a cost effect wide area network telecommunications service for transmission of data, video, and voice for all NASA enterprises, programs and centers. This part of the STDN consists of infrastructure and computers dedicated to monitor network traffic flow, such as fiber optic links, routers and switches. Data can flow through NISN two ways: using the Internet Protocol Operational Network (IPONET) or the High Data Rate System (HDRS). IPONET uses the TCP/IP protocol common to all computers connected to the Internet, and is a standard way to ship data. The High Data Rate System transports data rates from 2 Mbit/s to 48 Mbit/s, for specialized missions requiring a high rate of data transfer. HDRS does not require the infrastructure of routers, switches and gateways to send its data forward like IPONET. The NCC provides service planning, control, assurance and accountability. Service planning takes user requests and disseminates the information to the appropriate SN elements. Service control and assurance supports functions of real time usage, such as receipt, validation, display and dissemination of TDRSS performance data. Service accountability provides accounting reports on the use of the NCC and network resources. The NCC was originally located at Goddard Space flight Center, in Greenbelt, Maryland until 2000, when it was relocated to the WSC. The MOC is the focal point of spacecraft operations. It will schedule requests for support, monitor spacecraft performance and upload control information to the spacecraft (through TDRSS). MOC consists of principal investigators, mission planners and flight operators. Principal investigators initiate requests for SN support. Mission planners provide documentation for the spacecraft and its mission. And flight operators are the final link, sending commands to the spacecraft and performing the operations. The MMFD lab provides flight project and tracking network support. Flight project support consists of orbital and attitude determination and control. Orbital parameters are traced through the actual orbit of the mission spacecraft and compared to its predicted orbit. Attitude determination computes sets of parameters that describe a spacecraft's orientation relative to known objects (Sun, Moon, stars or Earth's magnetic field). Tracking network support analyzes and evaluates the quality of the tracking data.

Ғарыш сегменті

TDRSS шоқжұлдызының ғарыш сегменті – жүйенің ең динамикалық бөлігі. Орбитада тоғыз спутник болса да, жүйе үш негізгі спутникпен қызмет көрсетеді, ал қалғандарын дереу негізгі спутниктер ретінде пайдалануға дайын орбитадағы қосалқы құрылғылар ретінде сақтайды. TDRSS-тің бастапқы жобасында шығысқа арналған TDE және батысқа арналған TDW деп белгіленген екі негізгі спутник және бір орбиталық қосалқы спутник болған. 1980 жылдары пайдаланушылардың қажеттіліктерінің күрт өсуі NASA-ға желіні кеңейтуге, оған қосымша спутниктер қосуға мүмкіндік берді, соның ішінде кейбіреулері өте қарбалас орбиталық ұяда орналастырылды. Спутниктер туралы толық ақпарат алу үшін «Жерсеріктік бақылау және деректердік релелік спутник» бетіне қараңыз.

Пайдаланушы сегменті

TDRSS пайдаланушы сегментіне NASA-ның ең белгілі бағдарламаларының көптегені кіреді. Хаббл ғарыш телескопы және LANDSAT сияқты бағдарламалар өздерінің байқауларын TDRSS арқылы тиісті миссиялық басқару орталықтарына жібереді. Ғарышкерлерді космосқа ұшқызу TDRSS-ді құрудың басты себептерінің бірі болғандықтан, ғарыш шаттлы мен Халықаралық ғарыш станциясының дауыстық байланыстары осы жүйе арқылы жүзеге асырылады.

Операциялар

TDRSS жүйесі көптеген орбиталық обсерваторияларға деректерді ретрансляциялау қызметтерін көрсету үшін пайдаланылды, сондай-ақ TDRSS Оңтүстік полюс релесі арқылы МакМердо станциясы сияқты Антарктикадағы нысандарға да қызмет етті. АҚШ құрастырған Халықаралық ғарыш станциясының (ХҒС) бөлімдері деректерді ретрансляциялау үшін TDRSS-ты пайдаланады. TDRSS сонымен қатар қайта пайдаланылмайтын ракеталардың ұшыру деректерін беру үшін де қолданылады.

Әскери қолдану

1989 жылы TDRSS-тің маңызды функциясы Ұлттық барлау кеңсесі басқаратын Lacrosse радиолокациялық барлау спутниктеріне деректердік байланыс қызметін көрсету екені хабарланды. Шамамен жиырма жыл өткен соң, 2007 жылдың 23 қарашасында онлайн сауда басылымында былай деп жазылды: "НАСА (TDRSS) спутниктерін ғарыш кемелерімен және Халықаралық ғарыш станциясымен байланыс үшін пайдаланса да, олардың көп бөлігі Пентагонға бөлінеді, ол TDRSS операциялық шығындарының басым бөлігін жабады және жүйенің көптеген талаптарын, олардың кейбіреулері құпия, анықтайды". 2008 жылдың қазан айында NRO АҚШ-тағы Аэроғарыш деректері орталығының (ADF) – Колорадо, ADF Шығыс және ADF Оңтүстік-Батыс – миссиялық жер станцияларының бар екенін жариялады. ADF Колорадо және ADF Шығыс Buckley AFB, CO және Вирджиния штатындағы Fort Belvoir базаларында орналасқандығы белгілі; ADF Оңтүстік-Батыс White Sands зымыран полигонында, шамамен White Sands TDRSS станциясында орналасқан.

Өндіріс

Алғашқы жеті TDRSS спутнигі TRW корпорациясы (қазір Northrop Grumman Aerospace Systems) Калифорния штатының Редондо-Бич қаласында, ал кейіннен барлық спутниктер Hughes Space and Communications, Inc. (қазір Boeing корпорациясының бөлігі) Эль-Сегундо қаласында құрастырылды.

Мәдени сілтемелер

ТДРСС жүйесі Джеймс Бондтың "Мунрейкер" фильмінде қысқаша еске алынады. Сонымен қатар, ол 1997 жылғы "Евент-Горизонт" фильмінде де айтылады.

Ұшыру тарихы

Ескерту: TDRSS спутнигі өндіріс кезінде әріппен белгіленеді, бірақ дұрыс геосинхронды орбитаға сәтті шыққаннан кейін нөмірмен аталады (мысалы, TDRS A даму кезеңінде және орбитаға қабылдауға дейін, ал TDRS 1 орбитаға қабылданып, пайдалануға кіріскеннен кейін). Сондықтан, ұшырылу кезінде жоғалып немесе ауыр бұзылуларға ұшыраған спутниктерге ешқашан нөмір берілмейді (мысалы, TDRS B, ол "Space Shuttle Challenger" апатынан кейін нөмірленбеді).