Redes de estaciones de la NASA


 Diseño y operación de la red de estaciones terrestres globales existente de la NASA, con cierta referencia en el desarrollo de la industria aeroespacial nacional Chino.

La red de rastreo terrestre de la NASA se puede dividir en tres redes principales según su propósito, a saber, red cercana a la Tierra, red de espacio profundo y red basada en el espacio. Entre ellos, la red cercana a la Tierra proporciona principalmente soporte para naves espaciales de investigación en las ciencias de la Tierra desde las órbitas bajas terrestre, la red del espacio profundo se utiliza principalmente para misiones de exploración en el espacio profundo y la red espacial sirve principalmente para el suministro de carga de la estación espacial internacional y misiones espaciales tripuladas. De 2016 a 2020, el presupuesto operativo de las tres redes principales de la NASA asciende a 350 millones de dólares estadounidenses, de los cuales las operaciones de redes de espacio profundo representan la mayor proporción, más del 50%, las redes espaciales representan aproximadamente el 35%, y las redes cercanas a la Tierra representan alrededor del 13%.

PARTE 1

Red cercana a la Tierra

La red cercana a la Tierra de la NASA proporciona principalmente servicios de telemetría, control remoto (telecontrol), seguimiento y transmición de datos, y es compatible con las primeras etapas del lanzamiento de satélites en órbita terrestre baja (LEO), órbita geosincrónica (GEO), órbita elíptica alta (HEO) y órbita lunar. 

Las misiones apoyadas por la red cercana a la Tierra incluyen tanto las propias misiones de la NASA como la provisión de servicios terrestres para agencias gubernamentales y empresas comerciales en los Estados Unidos y otros países. Según la cotización anunciada en 2015, el precio del servicio de la propia estación terrestre de la NASA es de 490 dólares estadounidenses por círculo, y el costo de preparación de cada misión se calcula por separado. La red cercana a la Tierra es operada por el Instituto Goddard de Investigación Espacial de la NASA.

El origen de la red cercana a la Tierra se remonta a la década de 1960. Para satisfacer las necesidades de las misiones espaciales como la exploración de Mercurio y el programa de exploración lunar Apolo, la NASA estableció la red terrestre inicial; en la década de 1990, con el aumento en el número de satélites de experimentos científicos en órbita , la NASA ha ampliado aún más la cobertura de la red terrestre y la ha convertido en la red cercana a la Tierra actual.

La distribución específica de la red cercana a la Tierra se muestra en la Figura 1. La red está compuesta principalmente por las propias estaciones terrestres de la NASA y las estaciones terrestres que operan en cooperación (cooperativas). Las principales estaciones terrestres cooperativas incluyen las estaciones terrestres de la empresa SSC de Suecia y la empresa KSAT de Noruega. En color azul en la figura se muestra las propias estaciones terrestres de la NASA. Hay 6 emplazamientos en total distribuidos en los Estados Unidos continentales y la Antártida, el color  verde representa  la estación terrestre cooperativa, con un total de 12 estaciones ubicadas en todos los continentes.

Figura 1. Red de estaciones terrestres cercanas a la Tierra

Tabla 1. Descripción general de las estaciones terrestres en una red cercana a la Tierra

   Numeración

       posición

       propiedad

   Frecuencia y apertura de la antena

1

Fairbank, Alaska, Estados Unidos

NASA

Banda de frecuencia S / X; 11,3 m / 11 m / 9,1 m de diámetro

2

Kennedy Space Center, Florida, Estados Unidos

NASA

Banda S; apertura de 6,1 m

3

McMurdo, Antártida

NASA

Banda de frecuencia S / X; 10 m de diámetro

4

Florida, Estados Unidos
Ponce de Leon

NASA

Banda S; apertura de 6,1 m

5

Wallops, Virginia, Estados Unidos

NASA

    VHF, banda de frecuencia S / X; 11 m / 5 m de diámetro

6

White Sands, Nuevo México, EE. UU.

NASA

     VHF, banda S / Ka; 18,3 m de diámetro

7

Hartebeesthoek, Sudáfrica

Organizado por la Agencia Espacial Sudafricana SANSA

       Banda de frecuencia S / X; 12 m / 10 m de diámetro

8

Kiruna, Suecia

SSC

Banda de frecuencia S / X; 13 m / 13 m de diámetro

9

Santiago de chile

SSC

Banda S; 9/12/13 m de diámetro

10

Estación del Polo Norte de Alaska

SSC

Banda de frecuencia S / X; 5 m / 7,3 m / 11 m / 13 m de diámetro

11

Dongara, Australia

SSC

Banda de frecuencia S / X; apertura de 13 m

12

Estación de South Hawaii

SSC

Banda de frecuencia S / X; 13 m / 13 m de diámetro

13

Singapur

KSAT

Banda de frecuencia S / X; apertura de 9.1 m

14

Svalbard, Noruega

KSAT

Banda de frecuencia S / X; 11,3 m / 11,3 m / 13 m de diámetro

15

Trol antártico

KSAT

Banda de frecuencia S / X; apertura de 7.3 m / 7.3 m

16

Weilhem, Alemania

Estación cooperativa DRL de la Agencia Espacial Alemana

Las misiones apoyadas por esta red cercana a la Tierra incluyen la misión SMAP de la NASA (lanzada en 2015 para observar la cantidad de agua en la superficie del suelo de la tierra), el proyecto Aura (lanzado en 2004 para medir el ozono atmosférico, aerosoles y gases clave),  misión Aqua ( lanzado en 2002, principalmente para observar la información del ciclo del agua de la Tierra ) y más de 40 satélites en órbita terrestre baja en servicios de órbita, y la fase de lanzamiento de satélites en el marco del Proyecto del Servicio Nacional de Datos e Información Meteorológica Meteorológica Ambiental del Proyecto Nacional Oceánico y Atmosférico Administración de Estados Unidos y apoyo de emergencia.

Según las estadísticas oficiales, la red cercana a la Tierra operó 47.000 vueltas en 2014 y 59.000 vueltas en 2015. En 2015, la red cercana a la Tierra dio un promedio de 150 vueltas por día, de las cuales las estaciones terrestres de SSC y KSAT representaron el 30% del total de vueltas. En 2020, la tasa de utilización de estaciones terrestres comerciales y estaciones terrestres universitarias representará el 67% del total de las tareas de seguimiento y comunicación de la red de órbita baja. La NASA planea aumentar aún más la tasa de utilización de las estaciones terrestres comerciales y universitarias.

PARTE 2

Red de espacio profundo

El predecesor de la Red de Espacio Profundo se remonta a 1958. El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) firmó un contrato con el Ejército de los EE.UU. para desplegar estaciones de seguimiento de radio portátiles en Nigeria, Singapur y California a fin de proporcionar soporte de telemetría para el primer satélite de EE.UU., el Explorer 1 . El 3 de diciembre de 1958, el Laboratorio de Propulsión a Chorro fue transferido del Ejército de los Estados Unidos a la NASA y fue responsable del diseño y ejecución de programas de exploración lunar y planetaria utilizando naves espaciales robóticas. Poco después, la NASA aclaró el concepto de la red de espacio profundo como una instalación de comunicaciones administrada y operada por separado que puede respaldar todas las misiones del espacio profundo, rompiendo el modelo de operación original de tener una red de comunicación dedicada para cada proyecto. la Red de espacio profundo Todavía está en funcionamiento por el Jet Propulsion Laboratory.
La Red de Espacio Profundo (DSN) apoya principalmente misiones de exploración del espacio profundo, incluidas las propias misiones de la NASA y las misiones de otras agencias espaciales nacionales como la Agencia de Investigación y Desarrollo Aeroespacial de Japón (JAXA) y la Agencia Espacial Europea (ESA) . La red de espacio profundo está compuesta por tres estaciones terrestres, ubicadas en el desierto de Mojave (California), EE. UU., Robledo de Chavela (Madrid), España y Canberra,  Australia. Cada estación terrestre está equipada con cuatro conjuntos de antenas, un conjunto de antenas de 70 metros y tres conjuntos de 34 metros de antena. La frecuencia de funcionamiento principal es la banda S, X. Con el fin de garantizar que la nave espacial se mantenga siempre en comunicación con una de las estaciones terrestres, las posiciones de longitud de las tres estaciones terrestres están distribuidas uniformemente. Las estaciones de espacio profundo en España y Australia son operadas por la Agencia Espacial Española (INTA) y la  Australiana Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), soportados por apoyo técnico local. Además de apoyar las misiones de exploración del espacio profundo, las redes del espacio profundo también pueden proporcionar respaldos de seguridad para las redes cercanas a la Tierra y las redes espaciales.
Además, la NASA construirá una red de antenas compuesta por antenas de 18 metros para el programa de exploración lunar Artemis a fin de satisfacer las necesidades de servicios de comunicación y seguimiento de la futura exploración lunar. La estación terrestre en el Centro Espacial Kennedy en Florida, la estación Ponce de León en Florida y la estación de rastreo en Bermuda en la red cercana a la Tierra proporcionarán soporte de control y medición de lanzamiento temprano (LEOP) para el programa de exploración lunar Artemis; en cuanto a la red de espacio profundo, la antena mejorada de 34 metros del sistema Artemis proporcionará servicios continuos de telemetría y comando de alta velocidad para el sistema Artemis.
Cuadro 2. Principales tareas actuales de la Deep Space Network
Número de serie Nombre de la nave espacial Participantes principales Año de lanzamiento Propósito \ Tarea
1

Orbitador de la odisea

Mars Odyssey

NASA

2001

Detecta principalmente elementos químicos y minerales en la superficie de Marte; también actúa como un retransmisor de comunicación para otros módulos de exploración de Marte.

2
Orbitador de reconocimiento de Marte
MRO

NASA

2005

Buscando evidencia de la existencia a largo plazo de agua en la superficie de Marte; prueba de retransmisión de comunicación de banda Ka

3
Mars Express

ESA

Año 2003

Estudiar la atmósfera y el clima de Marte, la estructura planetaria, la mineralogía y la geología, y buscar rastros de agua.

4

Nave espacial Voyager 1 y Voyager 2

NASA

1977

La misión original era explorar Júpiter y Saturno; después de completar la misión, la Voyager 2 continúa explorando Urano y Neptuno, y actualmente está realizando una misión de exploración interestelar para estudiar la influencia del sol.

5
Cola magnética
Geotail

Proyecto de cooperación entre JAXA y NASA en Japón

1992

Investigación sobre la estructura y dinámica de la cola magnética de la Tierra, la principal fuente de auroras y cinturón de radiación

6
Administrador avanzado de recursos sintéticos Proyecto de cooperación Japón JAXA y NASA
AS

NASA

1997

Mide la corona solar, el viento solar y otros grupos de partículas interplanetarias.

7

Viento: Wind

NASA

año 1994

La órbita del halo alrededor del punto lagrangiano L1 para estudiar el viento solar cercano a la Tierra, las partículas de alta energía y el campo magnético

8
Sonda solar
SOHO

Proyecto de cooperación entre la ESA y la NASA

el año 1995

Estudie la atmósfera solar, la corona y el viento solar, etc.

9

Atmósfera de Marte y volátiles volando misión Maven

NASA

Noviembre de 2013

Explore la atmósfera superior, la ionosfera y las interacciones con el sol y el viento solar en Marte

10

Perseverancia Mars Rover

NASA

Julio de 2020

Aterrizará en Marte el 18 de febrero de 2021, principalmente para estudiar la geología marciana.

11

Emiratos Árabes Unidos Hope Mars Rover

Centro espacial Mohamed Bin Rashid (MBRSC)

Julio de 2020

Llegará a Marte en febrero de 2021 y estudiará la atmósfera y el clima de Marte

12

4 estrellas para la misión Magnetospheric Multiscale (MMS)

NASA

Marzo de 2015

Estudia el campo magnético de la tierra

13

Hayabusa 2

JAXA

Diciembre de 2014

Regresó a la Tierra el 6 de diciembre de 2020 con muestras recolectadas del asteroide Ronggong

14

Sonda solar Parker

NASA

2018

Detecta y observa la corona exterior del sol, que será la más cercana al sol en 2025

15

Satélite de misión Mars Trace Gas (TraceGas Orbiter)

Proyecto de cooperación de la ESA y la Agencia Espacial Federal Rusa Roscosmos

2016

Comprender el metano (CH4) y otros gases; proporcionar soporte de retransmisión de comunicación para otras sondas de Marte

PARTE 3

Red basada en el espacio

La red espacial incluye principalmente un sistema de seguimiento y retransmisión de datos por satélite (TDRS) y un sistema de terminal terrestre. El objetivo principal de la red espacial es aumentar el tiempo de comunicación con la nave espacial y la cantidad de datos transmitidos a la Tierra a través del sistema de satélite de retransmisión basado en el espacio, ubicado en la órbita geosincrónica, principalmente para el suministro de carga de la Estación Espacial Internacional. Las misiones espaciales tripuladas y las misiones del telescopio espacial Hubble brindan soporte de comunicación. La red espacial es operada por el Instituto Goddard de Investigación Espacial de la NASA. El precio del servicio de la red espacial en el año fiscal 2021 es de US $ 94 por minuto para un acceso único, US $ 9 por minuto para acceso múltiple y 15 para acceso múltiple. USD / minuto, para las empresas aeroespaciales comerciales incluidas en la lista de la «Ley de lanzamiento de espacios comerciales» para proporcionar precios de servicio de descuento del 3 al 4%.
El Data Relay Satellite System (TDRS) consta actualmente de 10 satélites en órbita. El primer satélite se puso en órbita en 1988 y el último en 2017. Los satélites No. 3, No. 5, No. 6 y No. 7 son la primera generación, No. 8-10 son la segunda generación y No. 11-13 son la tercera generación. La principal diferencia entre los satélites de tercera generación y los de segunda generación es la formación de haz. Los satélites de segunda generación tienen formación de haz múltiple en el satélite, mientras que los satélites de tercera generación transfieren esta función a tierra, lo que hace posible que con la banda S no planificada se conecte directamente el almacenamiento (DAS).
Se espera que el sistema de satélites opere hasta alrededor de 2030. La NASA planea entregar la actualización y operación del sistema de satélites de retransmisión a empresas comerciales para obtener servicios de retransmisión de satélites comerciales. En 2019, la NASA firmó contratos de investigación de tecnología de redes de retransmisiones comerciales con 8 empresas comerciales, con un valor de contrato total de 4 millones de dólares estadounidenses. Además, según un informe de Aerospace News del 5 de diciembre, la NASA planea construir una constelación de retransmisiones de comunicaciones comerciales compuesta por tres satélites en órbita ecuatorial para servir a futuras misiones de comunicaciones de exploración de Marte, incluida la misión «Mars Ice Mapper».
Figura 2 Sistema de satélite de seguimiento y retransmisión de datos (TDRS)
El sistema de terminales terrestres de la red espacial está ubicado en White Sands de Nuevo México en los Estados Unidos y Guam en el Pacífico Occidental. La estación terrestre de Baisha tiene 5 juegos de antenas de 19 metros; la estación terrestre de Guam está ubicada en la Terminal de la Zona de Computadoras y Telecomunicaciones de la Marina de los EE. UU. (NCTAMS) del Pacífico. Tiene un juego de antenas de 11 metros y un juego de antenas de 4,5 metros , que puede admitir banda S y banda Ku.
A fin de mejorar el rendimiento del equipo antiguo y cumplir con los requisitos de la tecnología de comunicaciones moderna, la NASA propuso el proyecto de mantenimiento de la parte terrestre (SGSS) de la red espacial. General Dynamics fue el contratista general para completar las instalaciones de software y hardware de la estación de tierra original Actualización y prueba. El proyecto ha durado muchos años y el presupuesto del proyecto se ha elevado varias veces. Según un informe de evaluación de la Oficina de Responsabilidad del Gobierno (GAO) en abril de 2020, el proyecto completó la revisión de prueba en la estación terrestre de Baisha en diciembre de 2019 y Enero de 2020, respectivamente., El comité de revisión dijo que el proyecto ha avanzado algo, pero aún existen ciertos riesgos. Hay algunas interferencias de radiofrecuencia en el sitio. La primera revisión operativa formal se llevará a cabo en junio de 2021.
En general, las tres redes centrales de la NASA desempeñan un papel indispensable y clave en el desarrollo de sus misiones espaciales. En tanto en la construcción, operación, mejora y transformación de estas redes de rastreo terrestre, las empresas aeroespaciales comerciales estadounidenses se han aprovechado al máximo. La ventaja de esto es que participan activamente en las misiones espaciales con grupos nacionales  y formar una relación de cooperación complementaria entre los departamentos nacionales y las empresas comerciales. Además, en el funcionamiento de la red mundial de estaciones terrestres, la NASA ha hecho pleno uso de una relación de cooperación con otras agencias espaciales nacionales en Europa, Japón, Rusia, Emiratos Árabes Unidos, Sudáfrica, etc., y ha llevado a cabo una completa y profunda cooperación, en el apoyo a la misión y custodia de equipos de las estaciones terrestres que trabajan en conjunto.  Aunque los entornos de China y Estados Unidos son diferentes, y el modelo de desarrollo de la NASA no es completamente reproducible en China, Estados Unidos, como pionero en el desarrollo aeroespacial mundial, tiene una rica experiencia e innovaciones únicas en la exploración de modelos, que pueden ayuda que para el desarrollo de la industria aeroespacial nacional China ofrece nuevas inspiraciones.

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