Mély űrhálózat

A Deep Space Network (hálózati kommunikáció mély tér), vagy DSN hálózata három földi állomások ellátott parabolaantenna által tartott űrügynökség USA , a NASA . Ezt alkalmazzák a kommunikáció a bolygóközi űrszondák és egyes küldetések pályára körül a Föld .

A mély űrhálózat a sugárhajtómű laboratóriumában található irányító központból és a JPL által irányított három földi állomásból áll, amelyek a bolygó körül vannak elosztva, hogy biztosítsák az egész naprendszer állandó lefedettségét . Ezek az állomások, amelyek parabola reflektorok 70  m az átmérője , található California ( Deep Space Complex Goldstone ), közel Madrid a Spanyol ( Deep Space Complex Madrid ) és a közeli Canberra az ausztrál ( Deep Space Complex Canberra ). A hálózatot más űrügynökségek is használják, amelyek nem rendelkeznek saját antennahálózattal, vagy ügynökségek közötti megállapodások alapján támogatják őket. A mély űrhálózat lehetővé teszi az égitestek pontos elhelyezkedését is (különösen a nagyon hosszú bázisinterferometriának köszönhetően ), és tanulmányozza azok tulajdonságait tudományos keretek között.

Történelmi

Az űrkorszak kezdetén, az 1950-es évek második felében hozták létre az első berendezést, amely később a Mélyűrhálózattá válik . A sugárhajtómű laboratórium (JPL) abban az időben katonai kutatólaboratórium volt Pasadenában ( Kalifornia ). és csatlakozik a kaliforniai technológiai intézethez (Caltech), az egyik legrangosabb amerikai egyetemhez. A JPL az 1930-as évek óta komoly szakértelmet fejlesztett ki a rakéták terén, és a hadsereg számára kifejlesztette a koreai háború idején használt Caporal ballisztikus rakétákat , majd az akkor még fejlesztés alatt álló Sergent rakétát .

A JPL-t az amerikai kormány választja ki az első amerikai mesterséges műholdas Explorer 1 kifejlesztésére, amely pályára áll1958. január 31. Annak érdekében, hogy nyomon követhesse és kommunikálhasson vele a műholddal, létrehozta az első mobil antennák hálózatát, a Microlock nevet, amely a JPL helyiségeiben található vezérlőközponthoz kapcsolódott . Microlock állomások találhatók Ibadan a nigériai , a University of Malajzia Szingapúr , Cape Canaveral a Florida és földrengés-völgy Kaliforniában . A kutatóközpont a TRACE ( Tracking and Communication Extraterrestrial ) hálózatot is létrehozza, amely az első bolygóközi küldetéseket korlátozott lefedettséggel kívánja követni. Ezek Canaveral - fokon , Mayagüezben ( Puerto Rico ) és Goldstone-ban (Kalifornia) találhatók. Az utóbbi helyet azért választják, mert viszonylag közel van a JPL-hez, és egy gödörben helyezkedik el, amely megvédi a rádiózavaroktól. A kutatóközpont 36 méter átmérőjű parabolikus antennát telepített oda , amely az egyik legfontosabb idő. A bolygóközi küldetések lefedettségének javítása érdekében a Sugárhajtómű Laboratórium 1958-ban javasolta két, a Goldstone-hoz hasonló állomás építését Nigériában és a Fülöp-szigeteken , de a Védelmi Minisztérium képviselőjének közreműködésével a hidegháború ), végül úgy dönt, hogy hozzon létre saját állomások Ausztráliában és az Ibériai-félszigeten . A JPL nem sokkal a létrehozása után a NASA űrügynökségének részévé vált1 st október 1958-as. A JPL az antennáját Goldstone Deep Space 11-nek vagy DSS 11-nek nevezi el . Ennek feladata első bolygóközi küldetésének, a Pioneer 4-nek a nyomon követése .1959. március.

A goldstone-i 26 méteres antennát 1969-ben, az ausztráliai Lagoon Island antennáját pedig ugyanebben az évben avatták fel. Az eredetileg Spanyolországba tervezett harmadik antennát végül 1961-ben építették Johannesburgtól ( Dél-Afrika ) 70 kilométerre északra . Ez a hálózat, amely most már teljes lefedettséget biztosít a bolygóközi küldetések számára, átveszi a Deep Space Network (DSN) nevet .1963. december 23. Az 1960-as évek közepén az igények kezdték meghaladni a három antenna kapacitását. A NASA új antennákat épít a Tidbinbilla-völgyben, Canberra közelében (Ausztrália), amelyet felavatottak1965. március, a Madrid közelében (Spanyolország), Robledo de Chavelában avatták fel 1965. júliusés az Atlanti - óceán közepén lévő Felemelkedési Szigeten (2004 - ben avatták fel1966. június). Ezt a hálózatot széles körben használják az Apollo program küldetései. Nem csak az összes bolygóközi küldetéssel támogatja a kommunikációt, hanem a földi műholdakkal is, amelyek magassága meghaladja a 16 000  km-t . Az új 60 méter átmérőjű antennát (DSS 14) felavatják Goldstone-ban1966. március. Ennek döntő szerepe lesz az első Mars-küldetéseknél. Az állomások és a JPL-nél elhelyezkedő irányítóközpont közötti kapcsolatot eleve telex biztosította, amelynek adatait közvetlenül számítógépekbe fecskendezték anélkül, hogy kártyákat kellett volna lyukasztaniuk (akkoriban ez volt az egyetlen adathordozó az adatok számítógépbe történő beviteléhez). Mikrohullámú összeköttetési rendszert hoztak létre Goldstone és a JPL között röviddel a Surveyor program első holdszondáinak elindítása előtt, hogy megbirkózzanak a várható adatmennyiség erőteljes növekedésével. A DSN módosul, hogy lehetővé tegye több egyidejű misszió lefedését.

Az 1960-as évek második felében a DSN-t teljesen elnyelik a holdi küldetések: Surveyor program , missziók Lunar Orbiter program és Apollo küldetések. Ez utóbbi program esetében a NASA emberes űrprogramját irányító Lyndon B. Johnson Űrközpont saját kommunikációs hálózattal rendelkezik, amely gondoskodik a küldetések első részéről, amikor az űrszonda még mindig viszonylag közel van a Földhöz. Az 1970-es évek során a JPL egyszerűsítésével újraszervezte állomáshálózatát. Átadja az állomás Ascension Island , hogy a Goddard Space Flight Center in1969. november, szétszerelte Woomera állomását, és 1973-ban átvette a Canberra melletti Honeysuckle Creek állomást, amelyet addig Houston központja használt. 1974-ben bezárta johannesburgi állomását. Két 64 méter átmérőjű antennát építettek ugyanolyan kapacitással, mint Goldstone-ban: az első (DSS 43) Tidbinbillában, Canberra közelében található.1973. április, a másodikat (DSS 63) ugyanebben az évben avatták fel Robledóban, Madrid közelében (Spanyolország). A korábban épített 26 méteres antennákat továbbra is használják a repülés korai szakaszában, mert a nagy antennák nem képesek mérni a szögmozgást, amikor az űrszonda még mindig közel van a Földhöz.

A Mariner program marsi missziói , amelyekre 1969-ben került sor, elsőként mutatták be a nagy antennák szükségességét azáltal, hogy lehetővé tették a haladásuk gyorsabb megszerzését, valamint a fényképek és adatok valós időben történő továbbítását. 1961 és 1974 között a hálózatot nemcsak a JPL (Surveyor Program, Mariner program) által kidolgozott missziók használták, hanem az Ames kutatóközpont (Pioneer program), a Langley kutatóközpont (Lunar Orbiter program) és a Langley kutatóközpont bolygóközi küldetései is. Houston központjában (Apollo-program). Japán, orosz, indiai és európai űrhajókkal történő kommunikációra is használják. Az 1970-es évek közepén a DSN hálózat központi szerepet játszott a Viking program sikerében , ami nagy kihívást jelentett, mert két pályával és két marslakóval kellett egyidejűleg kommunikálni. A Deep Space Network központi szerepet játszik az 1974-ben elindított és 1986-ban véget ért Helios 1 küldetés lebonyolításában is .

1968 és 1980 között három 26 méteres antennát 34 méteres antennák váltottak fel, amelyek lehetővé tették számukra a hatótávolság növelését és új frekvenciák használatát. Ezeket az új ágakat 1984-ben (Goldstone és Canberra) és 1987-ben (Madrid) avatták fel. 1981-ben a Goldstone DSS 11 antennáját kivonták a forgalomból. Az antennát, amely számos nevezetes küldetésnél (Pioneer, Mariner, Lunar Surveyor és Voyager) kulcsfontosságú szerepet játszott, a Nemzeti1985. december 27a Naprendszer felderítési misszióiban betöltött szerep elismeréseként. Az 1980-as években, főként a művelet költségei miatt kialakult viták után, a NASA úgy döntött, hogy korszerűsíti három legnagyobb parabolaantennáját, átmérőjük 64-ről 70-re növelésével. Ez az 5 éves frissítés befejeződött1988. május.

A Mély Űrhálózatot egyre inkább más országok által végrehajtott missziók hívják fel. Addig a DSN hozzájárulása informális keretek között történt, de 1991-ben irányelv született a más országoktól érkező felhasználási kérelmek szabályozásáról. Az 1980-as években a NASA átalakította telekommunikációs állomások hálózatát azzal a céllal, hogy csökkentse költségeit. Néhány korábban a Goddard Űrrepülési Központ által kezelt telekommunikációs állomást áthelyeznek a Mély Űrhálózatba annak lefedettségének növelése érdekében. Az 1990-es évek végén a JPL minden telephelyén új, 34 méter átmérőjű antennákat épített, amelyek a legrégebbi antennákat helyettesítették. Az antennák lehetővé teszik a csillagokból, porfelhőkből és a Jupiterből származó természetes elektromágneses sugárzást. A mély űrhálózat ma is az űrszondákkal való kommunikációhoz használt távközlési állomások legfontosabb hálózata.

Felszerelés

A Deep Space hálózat három különálló helyszínen található létesítményekből áll:

Ez a három helyszín körülbelül 120 ° hosszúságban helyezkedik el, hogy biztosítsa a zavartalan kapcsolatot az űrszondákkal a Föld forgása ellenére . A megtett távolságokat, a űrszonda látott egy fix pont a Földön valóban mozog az égen, mint egy égitest  : emelkedik a keleti és készletek a West 07:00-14:00 tovább késik. Az átvett antennák elosztásával az átvitel fenntartható a rádiós kapcsolat egyik állomásról a másikra történő átvitelével .

Minden komplex legalább 4 állomás, mindegyik tartalmaz több műhold ételeket . Pontosabban, minden komplexumban több, 34 méter átmérőjű antenna lesz , az egyik 26 méteres, az egyik 11 méteres és egy 70 méteres. Egy központi jelfeldolgozó központosított ( jelfeldolgozó központ , SPC) távirányító e 34  m és 70  m , generálja és továbbítja az parancsokat a űrhajók , veszi és feldolgozza a telemetrikus. Az antennák az azonos területen működhet hálózat , vagy akár más antennákkal kívül a Deep Space Network (például az antenna 70 méteres Canberra hálózatba köthető a rádióteleszkóp az Observatoire Parkes az Ausztráliában , és az antenna 70  m Goldstone lehet hálózat a Very Large array in New Mexico ).

Világ Goldstone mély űrkommunikációs komplexum Goldstone mély űrkommunikációs komplexum Robledo Robledo Canberra Canberra

A Deep Space Network vezérlőállomások elhelyezkedése

Használ

A Deep Space hálózat kétirányú kommunikációs közeg: az uplinket parancsok küldésére, a downlinket ( lefelé irányuló linket ) a telemetria céljára használják. De a Deep Space hálózat nem korlátozódik a kommunikáció egyetlen funkciójára:

Gyakoriságok

A Föld és az űrszondák közötti kommunikációhoz használt frekvenciasávok az S-sáv , az X-sáv és újabban a Ka-sáv . A Nemzetközi Telekommunikációs Unió szabványosított frekvenciatartományokat ír elő, amelyeket az alábbi táblázat mutat be. A gyakorisági megadott GHz , felfelé irányuló jelöli a Föld- to- tér linkre , és lefelé irányuló padlózatra tér- to- Föld . Megkülönböztetnek úgynevezett szoros kommunikációt a 2 millió kilométernél rövidebb távolságokra, a távinak nevezettektől.

Az ITU által kiosztott frekvenciák (GHz-ben)
Uplink (> 2 millió km) Downlink (> 2 millió km) Uplink (<2 millió km) Downlink (<2 millió km)
S zenekar 2.110 - 2.120 2,290 - 2,300 2.025 - 2.110 2,200 - 2,290
X sáv 7,145 - 7,190 8,400 - 8,450 7.190 - 7.235 8,450 - 8,500
Ka zenekar 34 200 - 34 700 31 800 - 32 300

Az 1990-es években a Ka sáv 70 méteres antennákon való használatát bizonyították a K + F területén . A létesítmény az uplink az X-sávú dátum2000. júniusugyanazokon az antennákon. 2008-ban a 70 méteres antennákat Ka-sávos adó / vevővel szerelték fel .

Antennák

Jelenleg a Deep Space hálózat összes antennája Cassegrain típusú . Szerelvényük, átmérőjük , frekvenciájuk , amelyeken keresztül képesek adni és fogadni, és általában a bevezetett technológiák különböznek egymástól, amelyek különböző erősítési értékeket és egyenértékű zajhőmérsékletet adnak .

Áttekintés: teljesítmény

Antenna teljesítmény
Átviteli erő Nyereség (emisszió) G / T (vétel)
26  m S sáv 200  W- tól 20  kW-ig 52,5 dB 31,8 dB [1 / K]
34  m HEF S sáv nincs felfelé mutató link 56,0 dB 40,2 dB [1 / K]
34  m HEF X sáv 200  W- tól 20  kW-ig 68,3 dB 54,0 dB [1 / K]
34  m BWG S-sáv 200  W- tól 20  kW-ig 56,7 dB 41,0 dB [1 / K]
34  m BWG X sáv 200  W- tól 20  kW-ig 68,4 dB 55,4 dB [1 / K]
34  m BWG Ka sáv 50 W és 800 W között 79,0 dB 65,7 dB [1 / K]
70  m S-sáv 200  W - 400 kW 63,5 dB 51,0 dB [1 / K]
70  m X sáv 200  W- tól 20  kW-ig 74,6 dB 62,8 dB [1 / K]

Az erősítést egy bizonyos középfrekvencián mérik (itt a sáv legalacsonyabb frekvenciája, a magasabb frekvenciákon (ill. Alacsonyabban) lévő erősítést kell növelni (ill. Csökkenteni) . Ugyanez a megjegyzés érvényes a G / T .

Antenna 34  m magas hatásfok (HEF)

A 34 m magas hatásfokú antennát  (HEF) az 1980- as évek közepén vezették be , specifikációként vételként vagy átvitelként az S-sávon és az X-sávon egyidejűleg. Az első használat nyúlik vissza, 1986. Voyager-2 misszió a Saturn . Neve ellenére ennek az antennának a hatékonysága összehasonlítható a többi működő antennával, de mivel akkor tervezték, amikor a kevésbé hatékony antennák még működtek, az elnevezés megmaradt. Azimut-magasságú rögzítést használ, amely másodpercenként 0,4 fokos sebességgel forog . Az antenna által elért technológiai fejlődés a kétsávos kürt, amelyhez nincs szükség dikro tükörre (veszteségek szempontjából költséges), valamint a felület javított gyártási folyamata, amely lehetővé teszi a hatékonyság növelését.

A felületek tekintetében a másodlagos reflektor alakja már nem tökéletes hiperboloid . Torzul (ezt a technikát alakításnak hívják ), hogy a megvilágítás egyenletesebb legyen . Nemkívánatos következménye, hogy az fázis eloszlása a hiperboloidon már nem egységes. Ezt úgy korrigálják, hogy a paraboloid felületét is módosítják , ami végül egyenletes eloszlást eredményez az amplitúdóban és a fázisban. A HEF antenna a Deep Space hálózatban elsőként használja a felület formálását . E műveletekhez a teljes rendszert X-sávban történő működésre optimalizálták, az S-sáv teljesítményének rovására .

Két út áll rendelkezésre, attól függően, hogy az antenna egyidejűleg működik-e a jobb és a bal kör alakú polarizációval , vagy csak az egyikükkel. Az első konfiguráció duplex egységet használ, és magasabb a zajhőmérséklete. Ezenkívül két alacsony zajszintű erősítőt telepítenek, az egyik rubin MASER típusú , a másik pedig HEMT tranzisztor alapú .

Antenna 34  m hullámvezető (BWG)

A 34 m-es BWG Beam Wave Guide antennája  a legújabb kialakítású a Deep Space Network számára. Felveszi a HEF antenna főbb jellemzőit. A kornét viszont a hiperboloid fókuszpontjából áthelyezik az alagsori helyiségbe; a hullámot ezután mintegy 2,5 méter átmérőjű tükrök irányítják . A fő előny az, hogy a kriogén hűtést nagyban megkönnyíti, mivel azt már nem kell magára az antennára helyezni. Ugyanez vonatkozik a karbantartásra is. Másrészt az eső már nem eshet a kúpba , ami ronthatja a teljesítményt. Ez az új architektúra lehetőséget adott a Ka-sáv továbbítására / vételére  : a felületi gyártási folyamat kellően elsajátította a szükséges pontosságot.

Modulációk

Az űrmissziókban alkalmazott modulációk javaslatáért felelős szervezet az Űradat- rendszerek Tanácsadó Bizottsága . Jelenleg, a modulációk használt alacsony és közepes bitsebességű Föld-szonda kommunikációs (kevesebb, mint 2 Mb / s) vannak fázisú modulációk két vagy négy állam ( BPSK , QPSK , vagy OQPSK ). A jel tartalmazhat vagy nem tartalmazhat maradék hordozót.

Nagy sebességű (2 Mb / s-nál nagyobb) kommunikáció esetén az egyik javasolt moduláció a Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) .

Terhelések

Egy adott konfiguráció ( űrszonda , földi antenna), a sebesség érhető közötti kommunikáció során a Föld és a szonda különösen azon múlik a Föld - Probe távolság ( via károk szabad hely, hogy a távközlési egyenlet ), használt frekvencia, moduláció , korrekciós kódolás és időjárási viszonyok. Például az X-sávos kommunikáció sebessége , lefelé irányuló kapcsolat (telemetria), a Mars Reconnaissance Orbiter és a Deep Space hálózat 34 m-es antennája között  elérheti az 5,2 Mb / s-ot.

Jövőbeli fejlemények

A Deep Space hálózat jövője nem az antennák átmérőjének növelésében rejlik, sokkal inkább a kisebb átmérőjű antennák hálózatba kapcsolásában . A gyakoriság növekedése azonban továbbra is releváns.

Hálózatépítés

A Deep Space hálózat jövője szempontjából három olyan helyszín felállításáról van szó, amelyekben 400 antenna található 12  m átmérőjű X- és Ka-sávban . A cél az, hogy kapjunk egy jósági tényező egyenértékű tízszerese, a jelenlegi 70 m antennák  hálózatba .

Optikai kommunikáció

A bitsebesség növelésének másik lehetősége a magasabb frekvenciák használata. A folyosón a S-sáv a X-band , és a jelenlegi folyosón a X-band , hogy Ka-sávú példák. A következő szakasz között az, hogy egy ugrás fel az optikai frekvenciák (azaz, mint a Ka-sáv , frekvenciák közel 10.000-szer nagyobb a hullámhossza 1 m). Amellett, hogy a növekedés a áteresztőképességű kapcsolódó emelkedése gyakorisága , optikai hullámhossz -hez sokkal kevesebb diffrakciós , mint azok, amelyeket eddig: a gerenda kenhető kevesebb, és ezért az energia kinyerjük jobb (egy Gauss-nyaláb , a gerenda elágazik, mint egy kúp teljes szöge és a szélesség a származás).

A légköri veszteségek a felhők általi elzáródás és a molekulák általi abszorpció eredménye . Ha a második jelenség tiszta égboltban csaknem állandó csillapítást eredményez (ez csak a molekulák eloszlásától függ a teljes összetételben), akkor az első változásoknak van kitéve, és akár teljesen meg is szakíthatja az átvitelt. Ezen légköri veszteségek leküzdése érdekében tervbe vették, hogy lézereket helyezzenek a pályára, hogy kommunikáljanak az űrszondákkal . Ez a technika azonban nem volt pénzügyi szempontból versenyképes a redundáns földi állomásokkal szemben, amelyek sokszínűséget nyújtanak a felhőtakaróhoz képest. Számos kérdést vizsgálnak még, például a vevők érzékenységét, a lézerek teljesítményét , a pontosságot , az adaptált modulációkat és korrekciós kódokat , a jel blokkolása esetén az újraküldés protokolljait vagy a lézerekkel kapcsolatos biztonságot .

Európai alternatíva

Az Európai Űrügynökség saját ESTRACK hálózat , amely magában foglalja a távközlési annak űrszondák és távoli tudományos küldetések három antenna 35 m átmérőjű: New Norcia in Australia óta 2002 , Cebreros a spanyolországi óta 2005 és Malargue az argentin avatták 2013-ban Ezek a az egymástól 120 ° -ra elhelyezett antennák lehetővé teszik a kommunikációt egy űrszondával a nap 24 órájában. Az Európai Űrügynökség alkalmanként használja a Deep Space hálózat antennáit, és szükség esetén segítséget nyújt a Deep Space Network számára.

Megjegyzések és hivatkozások

  1. szerint Michael E. Baker , Redstone Arsenal tegnap és ma , US Government Printing Office,1993( online olvasás )
  2. "  Mission Explorer 1  " (hozzáférés : 2020. január 22. )
  3. (en) Michael Peter Johnson , Mission Control: Az űrrepülés alapjainak feltalálása , New York, Florida University of Florida,2015, 211  p. ( ISBN  978-1-107-02348-2 , online olvasás ) , p.  142-148
  4. (in) A technológia fejlődése a mélyűrhálózatban: antennák elrendezése
  5. (en) Mély űrkommunikációs és navigációs sorozat, 1. kötet: Radiometrikus nyomkövetési technikák a mély űrben történő navigációhoz
  6. (in) Deep Space Communications and Navigation Series 5. kötet: Antenna-elrendezési technikák a Deep Space Network-ben
  7. (en) honlapja a Nemzetközi Távközlési Unió
  8. (en) Mély űrkommunikációs és navigációs sorozat, 4. kötet: A mély űrhálózat nagy antennái
  9. (en) Mély űrhálózat állapota
  10. (en) 70 m-es alhálózati telekommunikációs interfészek
  11. (in) 26 m-es alhálózati telekommunikációs interfészek
  12. (en) 34-m HEF alhálózati telekommunikációs interfészek
  13. (en) 34 m-es BWG antennák távközlési interfészei
  14. Légköri és környezeti hatások
  15. (a) CCSDS
  16. (in) Deep Space Communications and Navigation Series, 3. kötet: Sávszélesség-hatékony digitális moduláció a Deep Space Communications számára
  17. (in) CCSDS ajánlások az űradat-rendszer standardjaihoz: Rádiófrekvencia és modulációs rendszerek 1. RÉSZ: FÖLDI RÁDIÓK ÉS ŰRHELYEK
  18. (en) Mars felderítő Orbiter távközlés
  19. (in) A DSN tömb
  20. (in) Durgadas S Bagri, Joseph I Statman, Mark S. Gatti, "  Operation Concept for Array-based Deep Space Network  ", IEEEAC , n o  1050 (05. verzió), frissítve 2005. január 1-jén
  21. (en) Mélyűrkommunikáció és navigációs sorozat, 7. kötet: Mélytéri optikai kommunikáció
  22. (in) Stardust teszteli az ESA új mélyűr űrállomását Ausztráliában
  23. (en) ESA antennák Spanyolországban

Bibliográfia

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">