Red de Estaciones Terrenas de la ESA


Estado actual y evolución de la red de estaciones terrestres de la ESA

01  Historia de desarrollo
La Agencia Espacial Europea (ESA) se estableció en 1975 y está compuesta por 22 estados miembros dedicados a las actividades de exploración espacial. Desde su creación, la ESA ha llevado a cabo una serie de misiones espaciales importantes, como la observación de la Tierra, la exploración del espacio profundo y la investigación científica. El enorme volumen de tareas y la complejidad de las tareas requieren el apoyo de una red terrestre de alto rendimiento y muy flexible. La importancia de las redes terrestres para las misiones espaciales es evidente, pero en comparación con los sistemas espaciales, la infraestructura terrestre detrás de ellas ha recibido menos atención. Este artículo se centrará en la evolución estratégica y el desarrollo futuro de la red terrestre combinando la descripción general y el estado actual de los equipos de la estación terrestre de la ESA.
 La red terrestre de la ESA se distribuye por todo el mundo, proporcionando sólidas instalaciones terrestres que garantizan y respaldan el desarrollo de la industria aeroespacial europea y las actividades aeroespaciales de otros países y regiones. En la actualidad, la red terrestre opera un promedio de 15.000 horas al año y sirve un promedio de más de 20 misiones espaciales cada año.
La ESA  como se conoce actualmente se crea en 1975 a partir de la fusion de la ELDO (1962, European Launch Development Organization), y la ESRO (1964, European Space Research Organisation). A partir de 1968, se ha ampliado su red de estaciones terrestres mediante la cooperación con otras organizaciones, manteniendo al mismo tiempo la versatilidad y la integridad entre los sistemas en la mayor medida posible, asegurando su funcionamiento rentable.
La red de estaciones terrestres de la ESA se puede dividir en tres partes según su finalidad, a saber, (1) la red cercana a la Tierra, (2) la red del espacio profundo, y (3) la red de lanzamiento, de fase de órbita inicial (inmediata a la separación del satélite y el satélite en órbita o LEOP) y de seguimiento . Entre ellos, el desarrollo de la red terrestre cercana a la Tierra es el más reciente. Desde principios de este siglo, con el continuo desarrollo de la ciencia y la tecnología aeroespaciales, el enfoque del despliegue de la red terrestre de la ESA se ha desplazado hacia el lanzamiento y la infraestructura orbital inicial ( incluyendo Guayana Francesa Kourou, Kenia Malindi y New-Norcia de Australia) e infraestructura de espacio profundo (ubicada en Australia, España y Argentina). Al mismo tiempo, la ESA ha establecido asociaciones con empresas comerciales mediante la firma de acuerdos de cooperación para complementar las capacidades del sistema terrestre de la ESA.
En las décadas de 1960 y 1970, el foco de la construcción de la red terrestre de la ESA era la red terrestre cercana. 
En los primeros días de la era de la exploración espacial, Europa lanzó un vehículo de lanzamiento y un plan de construcción de infraestructura terrestre. A principios de la década de 1970, la ESA comenzó a desplegar antenas de 15m en todo el mundo, incluidas Redu en Bélgica, Villafranca en España, Odenwald en Alemania, Kiruna en Suecia y Kourou en la Guayana Francesa. La red de estaciones terrestres cercanas a la Tierra construida durante este período sentó una buena base para el desarrollo de los sistemas terrestres espaciales europeos. La estación Redu en Bélgica, la estación Kiruna en Suecia y la estación Kourou en la Guayana Francesa siguen siendo bases importantes para las actividades espaciales en Europa .
En la década de 1980, la agencia construyó una estación terrestre en Carnarvon, Australia, para apoyar la primera misión de la ESA en el espacio profundo, la Comet Observation Mission (Giotto). La antena se trasladó a Perth en 1986. En la década de 1990, con el desarrollo del programa de exploración del espacio profundo dirigido por Robot Comet Probe (Rosetta), la ESA decidió instalar otra antena de espacio profundo en New-Norcia, Australia. La ceremonia de inauguración de la antena se realizó el 5 de marzo de 2003. Posteriormente, se agregaron otras dos antenas en 2005 y 2013, respectivamente, ubicadas en Cebreros, España y Malargüe, Argentina, formando la red de espacio profundo existente.
En 2008 , la ESA desplegó un dispositivo de antena de calibre de 5,5 metros en la isla de Santa María en las Azores, Portugal, para rastrear el vehículo de lanzamiento Ariane. Posteriormente, la ESA desplegó otras dos pequeñas antenas, ubicadas en New-Norcia, Australia y Malindi, Kenia, para respaldar el lanzamiento y las fases orbitales iniciales y el seguimiento del vehículo de lanzamiento.
Mientras amplía su propia red de estaciones terrestres, la ESA ha establecido redes de cooperación con otras agencias, como la NASA, Japón JAXA, Francia CNES, Alemania DLR, Italia ASI y otras agencias espaciales nacionales. La figura 1 muestra el diseño de la red terrestre existente de la ESA. El verde en la figura es la estación cooperativa con otras agencias espaciales; el naranja representa la estación terrestre operada por entidades comerciales en nombre de la ESA, que apoya principalmente misiones diarias y lanzamiento y orbital inicial Incluidas la estación del Polo Sur de SSC en Hawai, la estación Santiago de Chile, la estación Dongara de Australia, la estación Antarctic Troll de KSAT y la estación Svalbard de Noruega. El azul indica las estaciones terrestres centrales de la ESA, ubicadas en siete países. Además de la red de espacio profundo que consta de tres estaciones terrestres en Australia, New-Norcia, Cebreros en España y Malargue en Argentina, las estaciones terrestres centrales también incluyen la Kourou Station, Redu en Bélgica, Santa Maria en Portugal y Kiruna en Suecia. Los derechos de propiedad de la estación central son propiedad de la ESA y están operados por el Centro de Operaciones de la ESA en Alemania para respaldar importantes tareas de detección.

Figura 1 Red de estaciones terrestres de la ESA

Con el aumento del número de misiones y el desarrollo de la infraestructura terrestre comercial, la ESA ha adoptado las siguientes directrices estratégicas en los últimos años: Primero, seguir manteniendo y desarrollando la libertad estratégica para la exploración del espacio profundo, la investigación astronómica y las misiones de observación de la Tierra. son estaciones terrestres para apoyar lanzamientos de misión crítica, fases orbitales iniciales y rastreo de vehículos de lanzamiento; segundo, para desarrollar asociaciones con otras agencias espaciales y compartir recursos de estaciones terrestres, incluidos países europeos y otras agencias espaciales nacionales e instituciones relacionadas; tercero, establecer asociaciones comerciales para apoyar misiones diarias cercanas a la Tierra y transferir algunos equipos de estaciones terrestres a empresas comerciales u otras entidades nacionales para que operen, a fin de mejorar la competitividad comercial de la ESA en Europa y centrarse en el apoyo de la misión principal y las operaciones del sistema terrestre.

En los últimos años, la ESA ha transferido la propiedad de tres conjuntos de estaciones terrestres a otras entidades. En 2015, debido a las necesidades del proceso de urbanización, el departamento de telecomunicaciones de Australia retiró la licencia de frecuencia de la estación de Perth de Australia. La ESA decidió transferir la propiedad de un conjunto de antenas de 15 m al gobierno portugués. El equipo reanudó sus operaciones en la estación terrestre de Santa María en Portugal en 2018 y actualmente brinda servicios comerciales a entidades diversificadas. Las antenas ubicadas en Villafranca y Maspalomas, España, también fueron entregadas a organizaciones internacionales españolas en 2017 y ahora también se utilizan para brindar servicios comerciales.

02 Desarrollo de redes cercanas a la Tierra

1) Infraestructura de red cercana a la Tierra:

Ubicación Kiruna, Suecia 1 Kiruna, Suecia 2 Kourou, Guayana Francesa
Diámetro de la antena 15m 13m El 15m + el 1.3m
Frecuencia de trabajo S subida y bajada;

X bajada

S subiday bajada;

X bajada

S subida y bajada;

X subida y bajada + X recepcion

horas de operación Desde el año 1986
( 34 años)
Desde el año 1986
( 34 años)
Proveedor de mantenimiento in situ Compañía Suecia SSC Compañía Suecia SSC Agencia Espacial Francesa

CNES

Modo de seguimiento Banda S

Seguimiento automático

Banda S y X

Seguimiento automático

Banda S y X

Seguimiento automático

Tipo de antena
Estructura de la base de la antena Azimut – paso Azimut – paso Azimut – paso – tercer eje
Protocolo de red Acuerdo SLE
Cuadro 1 Descripción general del equipo de la estación terrestre para la red cercana a la Tierra

Según un acuerdo internacional entre la ESA y el gobierno sueco, la ESA utiliza la estación Kiruna en el norte de Suecia desde 1986. Los dos juegos de antenas de Kiruna pueden proporcionar servicios de transmisión de datos de medición y control y medición de radio (medición de rango, velocidad). Las misiones actualmente apoyadas por estos dos conjuntos de antenas incluyen el satélite de teledetección CryoSat (utilizado para observar el derretimiento de los glaciares y el aumento del nivel del mar en las regiones polares), el satélite astronómico de rayos gamma Integral, la serie Swarm de tres satélites (para estudiar el campo magnético de la tierra) y Copernicus Plan la serie centinela de misiones de observación de la tierra. Entre ellos, el satélite de detección remota CryoSat se lanzó en 2010 y se espera que se desorbite después de 2023. El tiempo de seguimiento anual promedio del sistema terrestre es de más de 4000 horas, lo que representa aproximadamente el 20% del uso total de Kiruna. estación; Integral fue lanzado en 2002, se espera que sea dado de baja entre 2020 y 2021, con un tiempo de seguimiento anual promedio de 8000-9000 horas, lo que representa aproximadamente el 40% del uso total de la estación terrestre de Kiruna; las tres series Swarm Se espera que los satélites se retiren después de 2022, con un seguimiento anual promedio La duración es de aproximadamente 3000 horas, lo que representa aproximadamente el 15% del uso total de la estación terrestre de Kiruna; otras misiones representan aproximadamente el 25%, incluidos los siete satélites actualmente en órbita de la serie Sentinel (seis estrellas enteras + una carga útil) y el satélite meteorológico Aeolus.

La estación Kourou es otra estación terrestre central de la ESA. Gracias a su ventajosa ubicación geográfica y al rendimiento único de los equipos de antena en la banda X, la estación apoya el lanzamiento de una serie de misiones importantes y el seguimiento y control de la fase inicial de la órbita y el -fase de órbita. Las principales misiones de la estación de Kourou incluyen la misión de espectroscopia de rayos X de alto rendimiento (XMM) (lanzada en diciembre de 1999), el sistema de navegación por satélite Galileo en fase de verificación de órbita y el satélite meteorológico en órbita polar Metop, la serie C star (lanzado en noviembre de 2018), el respaldo de datos de los satélites Cluster serie 4 (para estudiar la magnetosfera de la Tierra y su interacción con el viento solar), el Programa de Exploración de Mercurio BepiColombo (lanzado en octubre de 2018) y SOLO Solar Orbiter (lanzado en febrero de 2020). La Kourou Station es una infraestructura estratégica para la ESA, que le permite realizar tareas críticas de forma autónoma. El papel desempeñado por el lanzamiento de la banda X de la Kourou Station y la fase orbital temprana difícilmente puede ser reemplazado por servicios comerciales o soporte internacional. Desde la perspectiva del desarrollo a medio plazo, es probable que la estación Kourou se utilice en el futuro programa de exploración lunar de la ESA.

) Requisitos de las misiones cercanas a la Tierra:

Actualmente, la medición y el control de las misiones de observación de la Tierra se suelen realizar en la banda S, y la transmisión de datos de la carga útil se realiza en la banda X (8.025-8.4GHz). Las estaciones terrestres pertinentes de la mayoría de las naves espaciales de observación de la Tierra en órbita polar están ubicadas dentro del círculo polar. Debido al ancho de banda disponible limitado, la distribución concentrada de las estaciones terrestres aumenta la interferencia y la congestión en la banda X. Este tipo de interferencia y congestión no se limita a la banda X. Debido a la demanda de comunicaciones terrestres, la banda S también se enfrenta a problemas similares. Para resolver este problema y proporcionar una velocidad de datos más alta, el departamento correspondiente asignó la banda de frecuencia Ka de 25,5-27,0 GHz a la ESA para la transmisión de datos de carga útil. El sistema de satélites polares (JPSS-1) desarrollado conjuntamente por la NASA y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) (lanzado en noviembre de 2017) y el sistema polar EUMETSAT de segunda generación / Metop programado para ser lanzado en 2021 será el de 26 GHz La frecuencia transmite datos de carga útil, y la medición y el control todavía están en la banda S. La medición, control y transmisión de datos de estos dos sistemas de satélite se completará utilizando antenas dedicadas. Para establecer un enlace confiable con el satélite, la transmisión digital de 26 GHz requiere una antena con un diámetro tan pequeño como 6 m.

Además, desde la perspectiva de la planificación de la misión, a medida que la vida útil de los satélites gestionados actualmente se vaya agotando, en los próximos 4-5 años, la estación terrestre de Kiruna apoyará principalmente la serie de misiones centinela y los múltiples satélites de teledetección que se prevé realizar. lanzado en 2022, Incluyendo Earthcare (observando nubes y aerosoles), Biomass (observando vegetación), Flex (observando fotosíntesis de plantas).

) Estrategia de desarrollo de redes cercanas a la Tierra:

Sobre la base de los requisitos de la misión descritos anteriormente, en los próximos años, la ESA llevará a cabo una serie de transformaciones y actualizaciones de los equipos de tierra para proporcionar mejores servicios de comunicación. La oficina consideró agregar capacidades de recepción de enlace ascendente en banda X y banda Ka al equipo de antena original Kiruna No. 1. La ESA evaluará la posibilidad de modificación del equipo mediante un estudio de viabilidad. Al mismo tiempo, también está considerando comprar una antena de banda S / Ka con una apertura de 6 m para soportar futuras misiones de observación de la Tierra.

03 Tendencias de desarrollo de Deep Space Network
) Infraestructura de red de espacio profundo
Ubicación España

Cebreos

Argentina

Malargue

Australia

Nueva Norcia 1

Diámetro de la antena 35m
Frecuencia de trabajo X subida y bajada;

Ka bajada

X subida y bajada;

Ka bajada

S subida y bajada;

X subida y bajada

horas de operación Construido en 2005 ( 15 años) Construido en 2012 ( 8 años) Construido en 2002 ( 18 años)
Tipo de antena Antena de guía de ondas de haz Cassegrain
Estructura de la base de la antena Azimut – paso
Protocolo de red Acuerdo SLE
Tabla 2 Descripción general del equipo de la estación terrestre de la red de espacio lejano

Como se muestra en el Cuadro 2, la red de seguimiento del espacio lejano, como parte de la red central terrestre de la ESA, consta de tres conjuntos de estaciones terrestres ubicadas en Cebreos, España, Malargue, Argentina y New-Norcia, Australia. La distancia de longitud entre los tres puntos son 120 grados, distribuidos uniformemente a nivel mundial. La red de espacio profundo proporciona principalmente funciones como telemetría, control remoto, seguimiento, medición de radio (rango, Doppler, interferometría Delta-Do) e investigación científica de radio. En enero de 2019, la ESA anunció planes para instalar alimentadores de refrigeración criogénica en tres conjuntos de antenas de espacio profundo dentro de 2019 para enviar y recibir señales de espacio profundo. Las nuevas antenas pueden aumentar el enlace descendente en un 40% en funcionamiento de alta frecuencia. La cantidad de datos. La alimentación debe enfriarse a 10 K (solo 10 grados desde el valor del cero absoluto, aproximadamente -263 C) para que funcione normalmente. Lo más destacado es la transmisión de señal de potencia ultra alta (más de 25 kilovatios), que equivale a la potencia transmitida al encender 25.000 teléfonos móviles al mismo tiempo. El prototipo de antena de esta tecnología fue desarrollado por la NASA y actualmente está instalado en Goldstone, California. La prueba técnica se completó con éxito en 2018.

La red del espacio profundo puede realizar una serie de misiones, que incluyen exploración planetaria, astronomía, observación solar, exploración lunar, etc. En general, la distancia entre la estación terrestre y la nave espacial de exploración del espacio profundo supera los 2 millones de kilómetros, lo que requiere un alto rendimiento del equipo. Desde su establecimiento, la red de espacio profundo ha servido con éxito a la sonda Robot Comet Probe (Rosetta) y la Misión de prueba de tecnología de antena espacial de interferómetro láser (LISAPF). Las naves espaciales en órbita gestionadas actualmente incluyen Mars Express (MarsExpress) y el Programa de exploración de Marte (ExoMars). , Venus Express (VenusExpress), Space Star Telescope Mission (Gaia), Proyecto de exploración de mercurio (BepiColombo), Satélite de exploración característica de exoplanetas (CHEOPS), Solar Orbiter (SOLO), etc. Al mismo tiempo, la red también proporciona servicios para las misiones de otras agencias espaciales nacionales como proyectos de cooperación y apoyo mutuos, incluida la misión de exploración Saturno de la NASA (Cassini), la sonda de Marte (Insight) y el plan de exploración Hayabusa de JAXA de Japón (Hayabusa).

El 30 de enero de 2020, la antena New Norcia de 35 m de Australia envió instrucciones a las naves espaciales Mars Express y ExoMars TraceGas Orbiter al mismo tiempo por primera vez , utilizando la banda S (aproximadamente 2,8 GHz) y la banda de frecuencia X (8-12 GHz). para comunicarse y asegurarse de que las señales de las dos bandas de frecuencia no interfieran entre sí. Anteriormente, la estación terrestre podía recibir múltiples señales de múltiples receptores al mismo tiempo, pero la señal transmitida desde tierra a la nave espacial nunca antes había logrado una transmisión simultánea de doble frecuencia. El éxito de esta prueba es un paso importante para mejorar la flexibilidad de la red terrestre global de la ESA. Con el aumento de la cantidad de misiones de exploración del espacio lejano, también está aumentando la demanda de las estaciones terrestres correspondientes. Antes de que se construyan nuevas estaciones terrestres, a fin de satisfacer los requisitos de capacidad a corto plazo, la tecnología de comunicación entre una sola antena y varias naves espaciales Incrementar la tasa de utilización de la infraestructura es de extraordinaria importancia.
) Requisitos de la misión al espacio profundo:
Además de la nave espacial de exploración del espacio profundo actualmente en órbita, las principales tareas bajo planificación incluyen la Misión de Detección del Clima Espacial Lagrangiano de la ESA (L5Space Weather), el Telescopio de Infrarrojo de Amplio Campo de Visión  de la NASA (WFIRST), misiones de Europa Potencial como el Espacio Euclid Está previsto que el telescopio (Euclid) se lance en los próximos cinco años. Los planes de lanzamiento a mediano y largo plazo incluyen el Telescopio Avanzado de Rayos X (ATHENA), el Telescopio Espacial de Tránsito Planetario (PLATO), etc.
Al analizar los requisitos de las misiones de espacio profundo existentes y planificadas, se puede predecir que el uso de estaciones terrestres de espacio profundo aumentará significativamente a partir de 2021; para 2023, los requisitos de comunicaciones de la misión superarán el 50% de la capacidad disponible actual, que se espera que sea un promedio Se necesitan 26.000 horas de trabajo al año.
) Estrategia de desarrollo de redes de espacio profundo
Con base en el pronóstico de misión anterior, la ESA adopta principalmente dos estrategias para satisfacer las necesidades de las misiones de exploración del espacio profundo. 
En Primer lugar, teniendo en cuenta la utilización de la infraestructura de la estación terrestre y los costos de operación y mantenimiento, la oficina aumentará el número de antenas en el sitio existente en lugar de abrir nuevos sitios. En diciembre de 2019, la ESA anunció que agregaría un cuarto conjunto de antenas de espacio profundo en New Norcia, Australia, para respaldar las misiones Jupiter Ice Moon Probe (JUICE) y Asteroid Probe (Hera) que se lanzarán en 2024. La estación complementará la infraestructura de la NASA en Tidbinbilla (cerca de Canberra) y brindará apoyo mutuo. Para promover la cooperación con Australia, la ESA cooperará con las autoridades australianas pertinentes para invertir conjuntamente en la construcción de la estación. El nuevo equipo se completará en 2023 y entrará en funcionamiento a mediados de 2024. Además, en Malague, Argentina, la nueva antena de espacio profundo cubrirá Sudamérica. Actualmente, solo hay una estación terrestre en China en esta área, pero la ESA no tiene una relación de cooperación con la estación terrestre, por lo que también está considerando agregar otra estación terrestre en el sitio argentino.
En segundo lugar, reutilizar la infraestructura existente tanto como sea posible. La ESA abrirá nuevas asociaciones para incorporar más infraestructura existente en la red terrestre del espacio profundo. Las posibles estaciones terrestres incluyen Weiheim en DLR en Alemania, la estación espacial Sardinia en Italia y la estación Goonhilly en el Reino Unido. La estación de Goonhilly en el Reino Unido es la primera vez que la ESA utiliza servicios de estaciones terrestres comerciales para misiones de exploración del espacio lejano. La antena de 32 m de la estación se construyó en 1985. El equipo de la antena se modificará para aumentar la velocidad de transmisión de datos de modo que la antena El rendimiento puede satisfacer las necesidades de las misiones de exploración del espacio profundo. Los fondos del proyecto provienen principalmente de empresas británicas y el equipo está en proceso de renovación.
04 Red de lanzamiento y etapa inicial de las orbitas (LEOP)
) Infraestructura de red durante el lanzamiento y de órbita temprana

Ubicación
Kenia

Malindi 1

Kenia

Malindi 2

Portugal

Santa maria

Australia

New-Norcia 2

Diámetro de la antena 2m 10m 5,5 m Los 4.5m + 0.75m
Frecuencia de trabajo
   X subida y bajada
S subida y bajada;

L y X bajada

S bajada;
X bajada
X subida y bajada;
S bajada
horas de operación Construido en 2015 (5 años) Construido en 2008 (12 años) Construido en 2016 (4 años)
Estructura de la base de la antena Azimut – paso

Otro conjunto de antenas ubicadas en New-Norcia, Australia, se utiliza principalmente para el seguimiento de vehículos, que puede rastrear naves espaciales en órbita polar, órbita alta, órbita geosincrónica y órbita sincrónica con el sol. La estación puede proporcionar monitoreo en tiempo real de la fase de separación del cohete Vega durante su lanzamiento en órbita polar baja y se espera que participe en un promedio de 5-6 actividades de lanzamiento por año, lo que es una carga de trabajo relativamente razonable. La estación reemplazó a la anterior estación de Perth y proporcionó servicios para la fase inicial de lanzamiento y seguimiento de la misión en el espacio profundo. La misión de seguimiento después de la órbita fue realizada por otra antena de 35 m de la estación. Estos dos conjuntos de antenas combinan un haz ancho (35 m) y un haz estrecho (4,5 m) para proporcionar capacidades efectivas de seguimiento en banda X. Hasta ahora, la estación ha apoyado un total de 14 actividades de lanzamiento.

La estación de Santa María en Portugal se utiliza para rastrear el lanzamiento del cohete Ariane 5 a la Estación Espacial Internacional y la nave espacial de carga de transporte automático (ATV). Gracias a la ubicación geográfica única en el Atlántico medio, la estación terrestre participó posteriormente en 5 misiones de lanzamiento de la serie ATV y posteriormente en misiones de lanzamiento de satélites de navegación Galileo (1-2 veces al año). En la actualidad, la estación admite todas las misiones de seguimiento de portaaviones lanzadas desde sitios de lanzamiento europeos, incluido el cohete Ariane 2, el cohete Vega, el cohete Soyuz, etc., y tiene estrechas relaciones de cooperación con Ariane y la agencia espacial francesa CNES. La banda S de la antena se utiliza principalmente para el seguimiento de cohetes y la banda X se utiliza para actividades de detección y comerciales. Hasta ahora, la estación ha apoyado un total de 16 actividades de lanzamiento.

A corto plazo, la antena Malindi en Kenia apoya principalmente el Proyecto de Exploración de Mercurio (Bepi-Colombo) y el Telescopio Espacial James Webb (JWT), que se espera que se lance en 2021; a largo plazo, es probable que apoye exploración futura junto con la estación Kourou. Misión del mes. Además, la estación Kourou y la estación Kiruna también tienen capacidades de ejecución de misión de lanzamiento y etapa de órbita temprana.

) Requisitos de la misión durante el lanzamiento y la órbita temprana

En los próximos diez años, la ESA realizará unos 20 lanzamientos y misiones en fase de órbita temprana, un promedio de dos por año. Al mismo tiempo, cooperará con Ariane para apoyar 6 misiones de lanzamiento por año, principalmente atendidas por las estaciones New-Norcia de Australia y Santa-Maria de Portugal.

) Estrategia de desarrollo de la red durante el lanzamiento y la órbita temprana

En esta etapa, las instalaciones existentes pueden cumplir con los requisitos de la misión actual y no hay un plan para construir una estación a corto plazo .
05  para resumir
Entrar en el espacio sigue siendo uno de los objetivos estratégicos de Europa. En este contexto, las futuras misiones espaciales tendrán requisitos cada vez más exigentes en términos de rendimiento de datos y bandas de frecuencia de trabajo. Optimizar los costes y compartir las instalaciones terrestres en la medida de lo posible es la dirección general de Europa. desarrollo de la red de la oficina aérea. Con este fin, la ESA declaró que continuará desarrollando asociaciones cooperativas y logrará la optimización del uso de las instalaciones terrestres y los costos operativos relacionados a través de modelos de cooperación o modelos de intercambio de activos. La ESA ya ha comenzado a implementar esta estrategia de desarrollo y ha iniciado conversaciones con agencias asociadas. En el futuro, tanto las actividades del segmento espacial como las del segmento terrestre requerirán una mayor cooperación. Además, ya sea cerca de la Tierra, en etapas de lanzamiento y órbita temprana o exploración espacial, el desarrollo de nuevas tecnologías sigue siendo un objetivo estratégico. Por esta razón, se necesita mucha investigación para hacer suficientes reservas técnicas para las necesidades futuras de mejorar el rendimiento de la red terrestre.

Observando estrellas |(Parte del contenido de este artículo está traducido del artículo de la conferencia de la Conferencia Internacional del Espacio «Red de seguimiento de la ESA: un activo europeo») Yu Xiaoxing Estrella de control aeroespacial 21/05/2020

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《欧空局追踪网络:欧洲资产》)余小星宇航控星

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驭星观察 | 欧空局地面站网络现状及演变发展

2020-09-01 14:51:25 来源: 航天驭星

01 发展历史

欧空局(ESA)成立于1975年,由22个成员国组成,致力于太空探索活动。自成立以来,欧空局承担着对地观测、深空探测、科学研究等多项重要航天任务,庞大的任务量和任务的复杂性需要高性能、高灵活度的地面网络予以支持。地面网络对于航天任务的重要性不言而喻,但相较于天基系统,其背后的地面基础设施较少得到关注。本文将通过梳理欧空局地面站设备概况及现状,重点阐述该地面网络的战略演变及未来发展。欧空局地面网络分布在全球各地,为欧洲航天事业的发展乃至其他国家和地区的航天活动提供了有力的地面设施保障和支持。目前,该地面网络平均每年运行15000个小时,每年平均服务20多项航天任务。
从1968年开始,欧空局通过与其他组织机构合作,对地面站网络进行扩展,同时最大程度地保持系统之间的通用性和完整性,确保其经济高效的运行。欧空局地面网络根据用途可分为三个部分,分别为近地网、深空网、发射及初期轨道阶段(星箭分离至卫星入轨)跟踪网络。其中近地地面网络开发启用时间最早,进入本世纪以来,随着航天科学技术的不断发展,欧空局的地面网络部署重点转移到了发射及初期轨道阶段基础设施(包括法属圭亚那库鲁,肯尼亚Malindi和澳大利亚New-Norcia)和深空基础设施(位于澳大利亚,西班牙和阿根廷)的建设上。同时,欧空局通过签署合作协议与商业公司建立合作伙伴关系,以补充欧空局的地面系统能力。

上世纪六七十年代,欧空局地面网络的建设重点是近地网。在太空探索时代的初期,欧洲发起了运载火箭和地面基础设施建设计划。七十年代初期,欧空局开始在全球部署15m口径天线,包括比利时Redu站,西班牙Villafranca站,德国Odenwald站,瑞典基律纳站,法属圭亚那库鲁站。这一时期建设的近地地面站网络为欧洲航天地面系统的发展打下了良好的基础,比利时Redu站、瑞典基律纳站、法属圭亚那库鲁站至今仍是欧洲地区开展航天活动的重要基地。

在八十年代,该局在澳大利亚Carnarvon建设了一套地面站,以支持欧空局首次深空任务——彗星观测任务(Giotto)。该天线于1986年移至Perth。九十年代,随着以机器人彗星探测器计划(Rosetta)为首的深空探索计划的发展,欧空局决定在澳大利亚New-Norcia安装另一个深空天线。该天线的落成仪式于2003年3月5日举行。随后分别在2005年和2013年添加了另外两套天线,分别位于西班牙Cebreros和阿根廷Malargüe,构成了现有的深空网。

2008年,欧空局在葡萄牙亚速尔群岛的Santa Maria岛上部署了一套5.5米口径天线设备,以跟踪阿里安运载火箭(Ariane)。随后欧空局部署了另外两套小型天线,分别位于澳大利亚New-Norcia和肯尼亚Malindi,用于支持发射及初期轨道阶段和运载火箭的跟踪。

在扩展自有地面站网络的同时,欧空局与其他机构建立了合作网络,例如美国NASA,日本JAXA,法国CNES,德国DLR,意大利ASI等各国航天局。图1为欧空局现有地面网络布局,图中绿色为与其他航天局的合作站;橙色表示由商业实体代表欧空局运营的地面站,主要支持日常任务和发射及初期轨道阶段任务,包括SSC的夏威夷South Pole站、智利圣地阿哥站、澳大利亚Dongara站以及KSAT的南极Troll站和挪威Svalbard站。蓝色表示欧空局核心地面站,位于七个国家,除了由澳大利亚New-Norcia、西班牙Cebreros、阿根廷Malargue三个地面站构成的深空网络以外,核心地面站还包括库鲁站、比利时Redu、葡萄牙Santa Maria和瑞典基律纳站。核心站的产权归欧空局所有,由位于德国的欧空局运营中心运营,以支持重要探测任务。

图1 欧空局地面站网络

随着任务数量的增加和商业地面基础设施的发展,欧空局近年来采取了以下几点战略方针:第一,继续维护开发用于深空探测、天文研究和对地观测任务的战略性自有地面站,用于支持关键任务的发射及初期轨道阶段和运载火箭跟踪等任务;第二,开拓与其他航天局的合作伙伴关系,共享地面站资源,包括欧洲各国和其他国家航天局和相关机构;第三,建立商业合作伙伴关系,以支持日常近地任务,并将部分地面站设备移交给商业公司或其他国家主体运营,以提高欧空局在欧洲的商业竞争力并专注于自身核心任务的支持和地面系统运营。

在过去几年中,欧空局将三套地面站所有权转移给了其他主体。2015年,由于城市化进程的需要,澳大利亚电信部门撤回了澳大利亚Perth站的频率许可。欧空局决定将一套15m天线的所有权转移给葡萄牙政府,该设备于2018年在葡萄牙Santa Maria地面站重新开始进入运营,目前面向多元化主体提供商业服务。位于西班牙Villafranca和Maspalomas的天线也于2017年移交给了西班牙国际组织,目前同样用于提供商业服务。

02近地网络发展动态

1)近地网络基础设施

表1 近地网络地面站设备概况

根据欧空局与瑞典政府之间的一项国际协议,欧空局自1986年起开始使用位于瑞典北部的基律纳站。基律纳两套天线可提供测控数传服务和无线电测量(测距,测速)。这两套天线目前主要支持的任务包括CryoSat遥感卫星(用于观测两极地区冰川融化和海平面升高现象),Integral伽玛射线天文卫星,Swarm系列三颗卫星(研究地球磁场)和哥白尼计划哨兵系列对地观测任务。其中CryoSat遥感卫星发射于2010年,预计运行到2023年后离轨,年均地面系统跟踪时长为4000多小时,约占基律纳地面站总使用量的20%左右;Integral发射于2002年,预计在2020年至2021年期间退役,年均跟踪时长为8000-9000小时,约占基律纳地面站总使用量的40%左右;Swarm系列三颗卫星预计在2022年以后退役,年均跟踪时长为3000小时左右,约占基律纳地面站总使用量的15%左右;其他任务约占25%,包括哨兵系列目前在轨的七颗卫星(六颗整星+一个有效载荷)和Aeolus气象卫星。

库鲁站是欧空局另一个核心地面站,该站得益于其优越的地理位置和天线设备独特的X波段性能,支持了多项重要任务的发射及早期轨道阶段和在轨阶段的测控。库鲁站主要服务的任务包括高通量X射线光谱任务(XMM)(发射于1999年12月)、伽利略导航卫星系统在轨验证阶段、Metop极地轨道气象卫星系列C星(发射于2018年11月)、Cluster系列4颗卫星的数据备份(研究地球磁层及其与太阳风的相互作用)、BepiColombo水星探测计划(发射于2018年10月)和SOLO太阳轨道器(发射于2020年2月)等。库鲁站是欧空局战略基础设施,使其能够自主执行关键任务。库鲁站的X频段发射及早期轨道阶段起到的作用很难被商业服务或国际支持所取代。从中期发展来看,库鲁站未来很有可能用于未来欧空局探月计划。

2)近地任务需求:

当前,对地观测任务测控通常在S波段进行,有效载荷的数传在X波段(8.025-8.4GHz)。大多数极轨地球观测航天器的相关地面站位于两极圈以内,由于可用带宽有限,地面站的集中分布增加了X波段的干扰和拥挤程度。这种干扰和拥挤不仅限于X波段,由于地面通信的需求,S波段也面临着类似问题。为了解决该问题并提供更高的数据速率,相关部门将25.5-27.0GHz的Ka频段划分给了欧空局,用于传输有效载荷数据。美国NASA和国家海洋和大气管理局(NOAA)联合研制的极地卫星系统(JPSS-1)(发射于2017年11月)和计划于2021年启动的第二代EUMETSAT极地系统/Metop等任务将以26 GHz的频率传输有效载荷数据,测控仍在S波段。这两个卫星系统测控和数传都将使用专用天线来完成。为了建立与卫星的可靠链路,26GHz数传需要口径小至6m的天线。

此外,从任务规划的角度而言,随着目前管理的卫星寿命逐渐耗尽,在未来的4-5年间,基律纳地面站将主要支持哨兵系列任务和计划2022年发射的多个遥感卫星,包括Earthcare(观测云层和气溶胶)、Biomass(观测植被)、Flex(观测植物光合作用)。

3)近地网络发展策略:

基于如上所述的任务需求,在未来的几年中,欧空局将对地面端设备进行一系列改造和升级,以提供更好的通信服务。该局考虑在原有的基律纳1号天线设备的基础上添加X波段上行和Ka波段接收能力。欧空局将通过可行性研究,评估设备改造的可能性。同时,也考虑购置6m口径S/Ka频段天线,以支持未来的对地观测任务。

03 深空网络发展动态

1)深空网络基础设施

表2 深空网络地面站设备概况

如表2所示,深空跟踪网络作为欧空局地面核心网络的一部分,由三套地面站组成,分别位于西班牙Cebreos,阿根廷Malargue和澳大利亚New-Norcia,三点之间经度相距120度,在全球均匀分布。该深空网络主要提供遥测、遥控、跟踪、无线电测量(测距,多普勒, Delta-Do干涉测量)、无线电科学研究等功能。2019年1月,欧空局宣布计划在2019年年内在三套深空天线上安装低温冷却馈源,用于收发深空信号,新的天线可以在高频运行状态下,提高40%的下行数据量。该馈源必须冷却到10 K(与绝对零值仅10度之差,大约-263 C),才能正常运行。主要亮点为超高功率信号发射(超过25千瓦),相当于同时打开25,000部手机所传输的电量。该技术的原型天线由美国NASA研发,目前安装在加利福尼亚Goldstone,已在2018年成功完成技术测试。

深空网络可执行一系列任务,包括行星探索、天文学、太阳观测、探月等。一般情况下,地面站与深空探测航天器之间的距离超过200万千米,对于设备的性能要求较高。该深空网络自建成以来先后成功服务了机器人彗星探测器(Rosetta)和激光干涉仪空间天线技术试验任务(LISAPF),目前管理的在轨航天器包括火星快车号(MarsExpress)、火星探测计划(ExoMars)、金星快车(VenusExpress)、空间恒星望眼镜任务(Gaia)、水星探测计划(BepiColombo)、太阳系外行星特性探测卫星(CHEOPS)、太阳轨道器(SOLO)等。同时,该网络也为其他国家航天局的任务提供服务,作为相互合作和支持的项目,包括NASA的土星探测任务(Cassini)、洞察号火星探测器(Insight)和日本JAXA的隼鸟号小行星探测计划(Hayabusa)。

2020年1月30日,澳大利亚New Norcia 35m天线首次同时向火星快车号(Mars Express)和火星微量气体任务卫星(ExoMars TraceGas Orbiter)两个航天器发送了指令,分别使用了S频段(约2.8GHz)和X频段(8-12GHz)进行通信,并确保两个频段的信号没有相互干扰。此前,地面站可从多个接收器同时接收多个信号,但从地面向航天器发射信号在此前从未实现过双频同时发射。此次测试成功是提高欧空局全球地面网络灵活性的重要一步。随着深空探测任务量的增加,对于相应地面站的需求量也不断增加,在新的地面站建成之前,为了满足短期内的容量需求,单个天线与多个航天器之间的通信技术对于提高基础设施利用率有着非同凡响的意义。

2)深空任务需求:

除了目前已经在轨的深空探测航天器以外,正在计划中的任务主要有欧空局拉格朗日太空天气探测任务(L5Space Weather)、美国NASA大视场红外巡天望远镜(WFIRST)、欧几里得空间望远镜(Euclid)等潜在任务,均计划在未来五年内发射。中长期发射计划包括X射线高级望远镜(ATHENA)、行星过境太空望远镜(PLATO)等。

通过分析现有和计划中的深空任务需求,可以预测从2021年开始深空地面站使用量将有较大幅度增长;到2023年,任务通信需求将超过目前可用容量的50%,预计平均每年需要26,000个小时的工作量。

3)深空网络发展策略

基于以上的任务预测,欧空局主要采取两个策略来满足深空探测任务需求。第一,考虑到地面站基础设施利用率和运维成本,该局将在现有的站址增加天线数量,而非开拓新的站址。2019年12月,欧空局宣布将在澳大利亚New Norcia添加第四套深空天线,以支持将于2024年发射的木星冰月探测器(JUICE)和小行星探测针(Hera)任务。该站将补充NASA位于Tidbinbilla(堪培拉附近)的基础设施,提供相互支持。为促进与澳大利亚的合作,欧空局将与澳大利亚相关部门合作,共同投资建设该站。新的设备将在2023年完工,2024年中旬进入运营。此外,在阿根廷Malague,新的深空天线将覆盖南美地区,目前该地区只有中国的地面站,但欧空局与该地面站尚无合作关系,因此也考虑在阿根廷站址添置另一套地面站。

第二,尽可能重复利用现有的基础设施。欧空局将通过开拓新的合作关系,将更多的现有基础设施包含到深空地面网络中,可能合作的地面站包括德国DLR的Weiheim、意大利Sardinia深空站、英国Goonhilly站。英国Goonhilly站是欧空局首次使用商业地面站服务进行深空探测任务,该站32m天线建于1985年,将通过天线设备改造提高数据传输速度,使天线性能能够满足深空探测任务需求,目前项目资金主要来自英国企业,设备正在改造中。

04 发射和早期阶段网络

1)发射和早期轨道阶段网络基础设施

位于澳大利亚New-Norcia的另一套天线主要用于运载器跟踪,可跟踪极轨、高轨和地球同步轨道、太阳同步轨道航天器。该站可为维加火箭极地低轨发射时的星箭分离阶段提供实时监控,预计每年平均参加5-6次发射活动,是一个相对合理的工作量。该站替代了之前的Perth站,为深空任务的早期发射跟踪阶段提供服务,入轨后的跟踪任务由该站的另一个35m天线负责。这两套天线结合了宽波束(35m)和窄波束(4.5m),可提供有效的X频段跟踪能力。迄今为止,该站累计支持了14次发射活动。
葡萄牙SantaMaria站用于跟踪阿里安5火箭向国际空间站发射自动转移运载(ATV)货运飞船。得益于大西洋中部独特的地理位置,该地面站随后参与了ATV系列5次发射任务及之后的伽利略导航卫星发射任务(每年1-2次)。目前,该站支持所有从欧洲发射场发射的运载器跟踪任务,包括阿里安2火箭、维加火箭、联盟号火箭等,与阿里安公司(Ariane)和法国CNES航天局有着紧密的合作关系。该天线S频段主要用于火箭跟踪,X频段用于探测和商业活动。迄今为止,该站累计支持了16次发射活动。

肯尼亚Malindi天线从短期来讲,主要支持水星探测计划(Bepi-Colombo)和预计在2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWT);长远来讲,很有可能与库鲁站一同支持未来的探月任务。此外库鲁站和基律纳站也具备发射及早期轨道阶段任务执行能力。

2)发射和早期轨道阶段任务需求

在接下来的十年中,欧空局将执行约20次发射及早期轨道阶段任务,每年平均两次。同时将配合阿里安公司,每年支持6次发射任务,主要由澳大利亚New-Norcia和葡萄牙Santa-Maria站提供服务。

3)发射和早期轨道阶段网络发展策略

现阶段,现有的设施能够满足目前的任务需求,短期内没有建站计划。

05总结

进入太空仍然是欧洲的战略目标之一,在这样的大背景下,未来的太空飞行任务在数据吞吐量、工作频段等方面的要求将越来越苛刻,优化成本和尽可能共享地面设施是欧空局地面网络发展的大方向。为此,欧空局表示将不断开拓合作伙伴关系,通过合作模式或资产共有的模式,实现地面设施的使用和相关运营成本的最优化。欧空局已经开始着手实施这种发展战略,并已开始与伙伴机构进行讨论,未来空间段和地面段活动都将需要加强合作。此外,无论是近地,发射及早期轨道阶段还是太空探索,新技术的开发仍然是战略目标。为此,需要进行大量的研究,为将来的需求做充分的技术储备,以改善地面网络的性能。

(本文部分内容翻译自国际航天大会会议文章《ESA Tracking Network-A European Asset》)

https: //www.163.com/dy/article/FLERARU40538A3SW.html

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