Un segmento terrestre consta de todos los elementos terrestres de un sistema espacial utilizados por los operadores y el personal de apoyo, a diferencia del segmento espacial y el segmento de usuario. [1] [2] : 1 El segmento terrestre permite la gestión de una nave espacial y la distribución de datos de carga útil y telemetría entre las partes interesadas en tierra. Los elementos principales de un segmento terrestre son:
Estos elementos están presentes en casi todas las misiones espaciales, ya sean comerciales , militares o científicas . Pueden estar ubicados juntos o separados geográficamente y pueden ser operados por diferentes partes. [5] [6] : 25 Algunos elementos pueden soportar múltiples naves espaciales simultáneamente. [7] : 480, 481
Las estaciones terrestres proporcionan interfaces de radio entre los segmentos espacial y terrestre para telemetría, seguimiento y comando (TT&C), así como transmisión y recepción de datos de carga útil. [6] : 4 [8] [9] Las redes de seguimiento, como la Red Cercana a la Tierra y la Red Espacial de la NASA , manejan las comunicaciones con múltiples naves espaciales a través de tiempo compartido . [3] : 22
Los equipos de las estaciones terrestres pueden ser monitoreados y controlados de forma remota . A menudo existen estaciones de respaldo desde las cuales se puede mantener contacto por radio si hay un problema en la estación terrestre principal que la deja sin funcionar, como un desastre natural. Estas contingencias se consideran en un plan de continuidad de operaciones .
Las señales que se van a transmitir a una nave espacial primero deben extraerse de los paquetes de la red terrestre , codificarse en banda base y modularse , [10] normalmente en una portadora de frecuencia intermedia (IF), antes de ser convertidas a la banda de radiofrecuencia (RF) asignada . Luego, la señal de RF se amplifica a alta potencia y se transporta a través de una guía de ondas a una antena para su transmisión. En climas más fríos, pueden ser necesarios calentadores eléctricos o sopladores de aire caliente para evitar la acumulación de hielo o nieve en la antena parabólica .
Las señales recibidas ("enlace descendente") pasan a través de un amplificador de bajo ruido (a menudo ubicado en el concentrador de la antena para minimizar la distancia que debe recorrer la señal) antes de ser convertidas a frecuencia intermedia; estas dos funciones se pueden combinar en un convertidor descendente de bloque de bajo ruido . Luego, la señal intermedia se demodula y el flujo de datos se extrae mediante sincronización y decodificación de bits y tramas. [10] Los errores de datos, como los causados por la degradación de la señal , se identifican y corrigen cuando es posible. [10] Luego, el flujo de datos extraído se empaqueta o se guarda en archivos para su transmisión en redes terrestres. Las estaciones terrestres pueden almacenar temporalmente la telemetría recibida para su reproducción posterior en centros de control, a menudo cuando el ancho de banda de la red terrestre no es suficiente para permitir la transmisión en tiempo real de toda la telemetría recibida. Pueden admitir redes tolerantes a demoras .
Una sola nave espacial puede utilizar múltiples bandas de RF para diferentes flujos de datos de telemetría, comando y carga útil , dependiendo del ancho de banda y otros requisitos.
El momento de los pases , cuando existe una línea de visión hacia la nave espacial, está determinado por la ubicación de las estaciones terrestres y por las características de la órbita o trayectoria de la nave espacial . [11] La Red Espacial utiliza satélites de retransmisión geoestacionarios para ampliar las oportunidades de pases más allá del horizonte.
Las estaciones terrestres deben realizar un seguimiento de las naves espaciales para apuntar sus antenas correctamente y deben tener en cuenta el desplazamiento Doppler de las frecuencias de RF debido al movimiento de la nave espacial. Las estaciones terrestres también pueden realizar mediciones de distancia automatizadas ; los tonos de medición de distancia pueden multiplexarse con señales de comando y telemetría. Los datos de seguimiento y medición de distancia de la estación terrestre se transmiten al centro de control junto con la telemetría de la nave espacial, donde a menudo se utilizan para determinar la órbita .
Los centros de control de misión procesan, analizan y distribuyen la telemetría de la nave espacial , y emiten comandos , cargas de datos y actualizaciones de software a la nave espacial. En el caso de las naves espaciales tripuladas, el control de misión gestiona las comunicaciones de voz y vídeo con la tripulación. Los centros de control también pueden ser responsables de la gestión de la configuración y el archivo de datos . [7] : 483 Al igual que con las estaciones terrestres, a menudo hay instalaciones de control de respaldo disponibles para respaldar la continuidad de las operaciones.
Los centros de control utilizan la telemetría para determinar el estado de una nave espacial y sus sistemas. [3] : 485 La telemetría de mantenimiento, diagnóstico, científica y de otro tipo se puede transmitir en canales virtuales separados . El software de control de vuelo realiza el procesamiento inicial de la telemetría recibida, que incluye:
Se requiere una base de datos de la nave espacial proporcionada por el fabricante de la nave espacial para proporcionar información sobre el formato de los cuadros de telemetría, las posiciones y frecuencias de los parámetros dentro de los cuadros y sus mnemotécnicos asociados, calibraciones y límites suaves y duros. [7] : 486 El contenido de esta base de datos, especialmente las calibraciones y los límites, se puede actualizar periódicamente para mantener la coherencia con el software y los procedimientos operativos a bordo; estos pueden cambiar durante la vida de una misión en respuesta a actualizaciones , degradación del hardware en el entorno espacial y cambios en los parámetros de la misión. [12] : 399
Los comandos enviados a la nave espacial se formatean de acuerdo con la base de datos de la nave espacial y se validan con la base de datos antes de ser transmitidos a través de una estación terrestre. Los comandos pueden emitirse manualmente en tiempo real, o pueden ser parte de procedimientos automatizados o semiautomatizados cargados en su totalidad. [7] : 485 Por lo general, los comandos recibidos con éxito por la nave espacial se reconocen en telemetría, [7] : 485 y se mantiene un contador de comandos en la nave espacial y en tierra para garantizar la sincronización. En ciertos casos, se puede realizar un control de bucle cerrado . Las actividades comandadas pueden pertenecer directamente a los objetivos de la misión, o pueden ser parte del mantenimiento . Los comandos (y la telemetría) pueden estar encriptados para evitar el acceso no autorizado a la nave espacial o sus datos.
Los procedimientos de las naves espaciales generalmente se desarrollan y prueban en un simulador de naves espaciales antes de su uso con la nave espacial real. [13] : 488
Los centros de control de misión pueden depender de subsistemas de procesamiento de datos "fuera de línea" (es decir, no en tiempo real ) para manejar tareas analíticas [3] : 21 [7] : 487 tales como:
Se pueden proporcionar espacios físicos dedicados en el centro de control para ciertas funciones de apoyo a la misión, como la dinámica de vuelo y el control de la red , [3] : 475 o estas funciones pueden gestionarse mediante terminales remotas fuera del centro de control. A medida que ha aumentado la potencia informática a bordo y la complejidad del software de vuelo , existe una tendencia a realizar un procesamiento de datos más automatizado a bordo de la nave espacial . [16] : 2–3
Los centros de control pueden contar con personal de control de vuelo de forma continua o regular . La dotación de personal suele ser mayor durante las primeras fases de una misión, [3] : 21 y durante procedimientos y períodos críticos , como cuando una nave espacial está en eclipse y no puede generar energía. [16] Cada vez es más común que los centros de control de naves espaciales no tripuladas se configuren para que funcionen "sin luces" (o de forma automatizada ), como un medio para controlar los costos. [16] El software de control de vuelo generalmente generará notificaciones de eventos significativos, tanto planificados como no planificados, en el segmento terrestre o espacial que puedan requerir la intervención del operador. [16]
Las terminales remotas son interfaces en redes terrestres, separadas del centro de control de la misión, a las que pueden acceder controladores de carga útil , analistas de telemetría, equipos de instrumentos y científicos y personal de apoyo , como administradores de sistemas y equipos de desarrollo de software . Pueden ser de solo recepción o pueden transmitir datos a la red terrestre.
Los terminales utilizados por los clientes de servicios , incluidos los proveedores de servicios de Internet y los usuarios finales , se denominan colectivamente "segmento de usuario" y, por lo general, se distinguen del segmento terrestre. Los terminales de usuario, incluidos los sistemas de televisión por satélite y los teléfonos por satélite , se comunican directamente con las naves espaciales, mientras que otros tipos de terminales de usuario dependen del segmento terrestre para la recepción, transmisión y procesamiento de datos.
Los vehículos espaciales y sus interfaces se ensamblan y prueban en instalaciones de integración y prueba (I&T). La I&T específica de la misión brinda la oportunidad de probar completamente las comunicaciones entre la nave espacial y el segmento terrestre, y su comportamiento, antes del lanzamiento. [7] : 480
Los vehículos se entregan al espacio a través de instalaciones de lanzamiento , que se encargan de la logística de los lanzamientos de cohetes. Las instalaciones de lanzamiento suelen estar conectadas a la red terrestre para transmitir telemetría antes y durante el lanzamiento. A veces se dice que el propio vehículo de lanzamiento constituye un "segmento de transferencia", que puede considerarse distinto tanto del segmento terrestre como del espacial. [3] : 21
Las redes terrestres manejan la transferencia de datos y la comunicación de voz entre diferentes elementos del segmento terrestre. [7] : 481–482 Estas redes a menudo combinan elementos LAN y WAN , de los cuales diferentes partes pueden ser responsables. Los elementos separados geográficamente pueden estar conectados a través de líneas arrendadas o redes privadas virtuales . [7] : 481 El diseño de redes terrestres está impulsado por requisitos de confiabilidad , ancho de banda y seguridad . Se pueden utilizar protocolos de red tolerantes a retrasos .
La confiabilidad es un factor particularmente importante para los sistemas críticos , donde el tiempo de funcionamiento y el tiempo medio de recuperación son cuestiones de suma importancia. Al igual que con otros aspectos del sistema de la nave espacial, la redundancia de los componentes de la red es el principal medio para lograr la confiabilidad requerida del sistema.
Las consideraciones de seguridad son vitales para proteger los recursos espaciales y los datos confidenciales. Los enlaces WAN suelen incorporar protocolos de cifrado y cortafuegos para brindar seguridad a la información y a la red . El software antivirus y los sistemas de detección de intrusiones brindan seguridad adicional en los puntos finales de la red.
Los costos asociados con el establecimiento y operación de un segmento terrestre son muy variables, [17] y dependen de los métodos de contabilidad. Según un estudio de la Universidad Tecnológica de Delft , [Nota 1] el segmento terrestre contribuye aproximadamente con un 5% al costo total de un sistema espacial. [18] Según un informe de la Corporación RAND sobre misiones de naves espaciales pequeñas de la NASA, los costos de operación por sí solos contribuyen con un 8% al costo de vida útil de una misión típica, y la integración y las pruebas representan un 3,2% adicional, las instalaciones terrestres un 2,6% y la ingeniería de sistemas terrestres un 1,1%. [19] : 10
Los factores que impulsan el costo del segmento terrestre incluyen los requisitos sobre instalaciones, hardware, software, conectividad de red, seguridad y personal. [20] Los costos de las estaciones terrestres, en particular, dependen en gran medida de la potencia de transmisión requerida, las bandas de RF y la idoneidad de las instalaciones preexistentes. [17] : 703 Los centros de control pueden estar altamente automatizados como un medio para controlar los costos de personal. [16]
