Сеть американских коммуникационных спутников TDRSS

Введение

Сеть американских коммуникационных спутников

Американская система ретрансляционных спутников слежения и передачи данных (TDRSS) – это сеть американских коммуникационных спутников (каждый из которых называется спутником слежения и передачи данных, TDRS) и наземных станций, используемых НАСА для космической связи. Система была разработана для замены существующей сети наземных станций, обеспечивавшей поддержку всех пилотируемых миссий НАСА. Главной целью разработки было увеличение времени, в течение которого космические аппараты находятся на связи с Землей, и повышение объема передаваемых данных. Многие спутники слежения и передачи данных были запущены в 1980-х и 1990-х годах с помощью космического шаттла с использованием инерциального разгонного блока – двухступенчатого твердотопливного ускорителя, разработанного для шаттла. Другие спутники TDRS были запущены ракетами Atlas IIa и Atlas V. Самое последнее поколение спутников обеспечивает скорость приема данных 6 Мбит/с в диапазоне S и 800 Мбит/с в диапазонах Ku и Ka. В основном это используется вооруженными силами США.

Происхождение

Для удовлетворения потребности в длительной, высоконадежной связи между космосом и Землей, NASA создало Сеть отслеживания и сбора данных космических аппаратов (STADAN) в начале 1960-х годов. Состоящая из параболических антенн и телефонного коммутационного оборудования, развернутого по всему миру, STADAN обеспечивала связь с Землей в течение примерно 15 минут из 90-минутного орбитального периода. Этот ограниченный период связи был достаточен для беспилотных космических аппаратов, но пилотируемым космическим аппаратам требовалось значительно больше времени для сбора данных. Сеть, созданная сразу после STADAN в начале 1960-х годов, называемая Сетью пилотируемых космических полетов (MSFN), взаимодействовала с пилотируемыми космическими аппаратами на околоземной орбите. Другая сеть, Deep Space Network (DSN), взаимодействовала с пилотируемыми космическими аппаратами, находящимися на расстоянии более 16 000 километров от Земли, такими как миссии "Аполлон", в дополнение к своей основной задаче сбора данных с аппаратов дальнего космоса. С созданием космического челнока в середине 1970-х годов возникла потребность в более производительной космической системе связи. В конце программы "Аполлон" NASA осознало, что MSFN и STADAN развились до схожих возможностей, и решило объединить эти две сети для создания Сети отслеживания и передачи данных космических аппаратов (STDN). Даже после объединения у STDN оставались недостатки. Поскольку вся сеть состояла из наземных станций, расположенных по всему миру, эти станции были уязвимы к политической конъюнктуре стран, на территории которых они находились. Чтобы обеспечить высокую надежность в сочетании с более высокой скоростью передачи данных, NASA начало исследование по расширению системы за счет добавления космических узлов связи. Космический сегмент новой системы должен был опираться на спутники на геостационарной орбите. Эти спутники, благодаря своему положению, могли передавать и принимать данные на спутники на низких орбитах, оставаясь при этом в зоне видимости наземных станций. В действующей группировке TDRSS используются два спутника, обозначенные TDE и TDW (для восточного и западного секторов), и один резервный спутник на орбите. После завершения исследования NASA пришло к выводу, что для достижения 100% глобального покрытия необходимо незначительное изменение системы. Небольшая область не будет находиться в прямой видимости ни одного из спутников – так называемая Зона Исключения (ZOE). В пределах ZOE ни один из спутников TDRS не сможет установить связь с космическим аппаратом, находящимся ниже определенной высоты (646 морских миль). Добавление еще одного спутника для покрытия ZOE и наземной станции поблизости позволит обеспечить 100% покрытие. Исследование космической сети привело к созданию системы, которая стала основой для современной архитектуры сети TDRSS. Уже в 1960-х годах программы NASA Application Technology Satellite (ATS) и Advanced Communications Technology Satellite (ACTS) прототипировали многие технологии, используемые в TDRSS и других коммерческих спутниках связи, включая множественный доступ с частотным разделением (FDMA), трехосную стабилизацию космических аппаратов и высокопроизводительные технологии связи. По состоянию на 2009 год руководителем проекта TDRS является Джефф Дж. Грамлинг из NASA Goddard Space Flight Center. Роберт П. Бьюкенен, заместитель руководителя проекта, вышел на пенсию после 41 года работы в NASA, где TDRS была одной из его последних миссий. Компания Boeing отвечает за строительство TDRS K.

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.

Сеть

TDRSS аналогична большинству других космических систем, состоящей из трех сегментов: наземного, космического и пользовательского. Эти три сегмента работают совместно для выполнения миссии. Чрезвычайная ситуация или отказ в любом из сегментов может оказать катастрофическое воздействие на всю систему. Поэтому во всех сегментах предусмотрено резервирование.

Включение в НННЗО

Основными частями мережі відстеження та передачі даних космічних польотів (STDN) є: мережа інтегрованих послуг NASA (NISN), центр управління мережею (NCC), центр операцій місії (MOC), центр обробки даних космічних апаратів (SDPF) та лабораторія динаміки польотів з кількома місіями (MMFD). NISN забезпечує основний вузол передачі даних для космічних місій. Це мережева телекомунікаційна послуга з високою економічною ефективністю для передачі даних, відео та голосу для всіх підприємств, програм та центрів NASA. Ця частина STDN складається з інфраструктури та комп’ютерів, призначених для моніторингу потоку мережевого трафіку, таких як волоконно-оптичні лінії зв’язку, маршрутизатори та комутатори. Дані можуть передаватися через NISN двома способами: з використанням операційної мережі Інтернет-протоколу (IPONET) або системи високих швидкостей передачі даних (HDRS). IPONET використовує протокол TCP/IP, загальний для всіх комп’ютерів, підключених до Інтернету, і є стандартним способом передачі даних. Система високих швидкостей передачі даних передає швидкості передачі даних від 2 Мбіт/с до 48 Мбіт/с для спеціалізованих місій, що потребують високої швидкості передачі даних. HDRS не потребує інфраструктури маршрутизаторів, комутаторів та шлюзів для передачі своїх даних, як IPONET. NCC забезпечує планування, контроль, гарантію та підзвітність послуг. Планування послуг приймає запити користувачів та поширює інформацію на відповідні елементи SN. Контроль та гарантія обслуговування підтримує функції використання в реальному часі, такі як отримання, перевірка, відображення та поширення даних про продуктивність TDRSS. Підзвітність служб забезпечує звітність про використання ресурсів НКК та мережі. Спочатку NCC знаходився в Центрі космічних польотів Годдарда в Грінбелті, штат Меріленд, до 2000 року, коли його було переміщено до WSC. MOC – це центральна точка операцій космічного корабля. Він плануватиме запити на підтримку, контролюватиме роботу космічного апарату та завантажуватиме інформацію про контроль на космічний апарат (через TDRSS). До складу MOC входять головні дослідники, планувальники польотів та оператори польотів. Головні дослідники ініціюють запити на підтримку SN. Планувальники місії надають документацію для космічного корабля та його місії. А льотчики – це останнє ланка, що посилає команди космічному кораблю та виконує операції. Лабораторія MMFD забезпечує підтримку проєкту польоту та мережі відстеження. Підтримка проєкту польоту складається з визначення та контролю орбіти та положення. Орбітальні параметри простежуються за фактичною орбітою космічного апарату та порівнюються з його прогнозованою орбітою. Визначення положення обчислює набір параметрів, які описують орієнтацію космічного корабля відносно відомих об’єктів (Сонця, Місяця, зірок або магнітного поля Землі). Підтримка мережі відстеження аналізує та оцінює якість відстежуваних даних.

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.

Космический сегмент

Космический сегмент созвездия TDRSS – наиболее динамичная часть системы. Несмотря на наличие девяти спутников на орбите, система обеспечивает поддержку с помощью трех основных, используя остальные в качестве резервных, готовых к немедленному включению в работу в качестве основных. Изначальная конструкция TDRSS предусматривала два основных спутника – TDE для восточного полушария и TDW для западного – и один резервный спутник на орбите. Увеличение потребностей пользователей в 1980-х годах позволило НАСА расширить сеть за счет добавления новых спутников, некоторые из которых были размещены на особенно востребованной орбитальной позиции. Подробную информацию о спутниках можно найти в статье «Спутник слежения и передачи данных».

Сегмент пользователей

Пользовательский сегмент TDRSS включает в себя многие из наиболее значимых программ NASA. Такие программы, как космический телескоп Хаббл и LANDSAT, передают свои наблюдения в соответствующие центры управления полетами через TDRSS. Поскольку одним из основных обоснований создания TDRSS были пилотируемые космические полеты, голосовая связь космических шаттлов и Международной космической станции осуществляется через эту систему.

Операции

Система TDRSS использовалась для обеспечения ретрансляции данных для множества орбитальных обсерваторий, а также для антарктических станций, таких как станция МакМурдо, через ретранслятор TDRSS на Южном полюсе. Американские секции Международной космической станции (МКС) используют TDRSS для ретрансляции данных. TDRSS также применяется для ретрансляции данных при запусках ракет-носителей.

Военные применения

Еще в 1989 году сообщалось, что важной функцией TDRSS являлась ретрансляция данных для разведывательных спутников радиолокационной съемки Lacrosse, управляемых Национальным управлением разведывательных программ. Почти двадцать лет спустя, 23 ноября 2007 года, в отраслевом онлайн-издании было отмечено: "Хотя NASA использует спутники (TDRSS) для связи с космическим шаттлом и Международной космической станцией, большая часть их пропускной способности выделена Пентагону, который покрывает основную часть операционных расходов TDRSS и определяет многие требования системы, некоторые из которых засекречены". В октябре 2008 года NRO рассекретило существование наземных станций управления миссиями в США, известных как Aerospace Data Facility (ADF) Colorado, ADF East и ADF Southwest, расположенных вблизи Денвера (Колорадо), Вашингтона (округ Колумбия) и Лас-Крусеса (Нью-Мексико) соответственно. Известно, что ADF Colorado и ADF East находятся на авиабазе Бакли (Колорадо) и в Форт-Белвоаре (Вирджиния); ADF Southwest расположен на ракетном полигоне Уайт-Сэндс, предположительно на станции TDRSS Уайт-Сэндс.

Производство

Первые семь спутников TDRSS были построены корпорацией TRW (в настоящее время часть Northrop Grumman Aerospace Systems) в Редондо-Бич, штат Калифорния, а все последующие спутники – компанией Hughes Space and Communications, Inc., в Эль-Сегунде, штат Калифорния (в настоящее время часть корпорации Boeing).

Культурные отсылки

Система TDRSS мельком упоминается в фильме о Джеймсе Бонде "Лунный охотник". Она также фигурирует в фильме 1997 года "Горизонт событий".

История запуска

Примечание: пока спутник TDRSS находится в процессе производства, ему присваивается буквенное обозначение, но после успешного выхода на правильную геосинхронную орбиту он именуется номером (например, TDRS A в процессе разработки и до принятия в эксплуатацию на орбите, и TDRS 1 после принятия в эксплуатацию на орбите и начала оперативного использования). Таким образом, спутники, потерпевшие неудачу при запуске или имеющие серьезные неисправности, никогда не получают номер (например, TDRS B, который не был пронумерован из-за его гибели в катастрофе космического шаттла "Челленджер").