El precursor de la Red de Espacio Profundo se estableció en enero de 1958, cuando el JPL , entonces bajo contrato con el Ejército de los EE. UU. , desplegó estaciones portátiles de seguimiento por radio en Nigeria, Singapur y California para recibir telemetría y trazar la órbita del Explorer 1 lanzado por el Ejército, el primer satélite estadounidense exitoso . [1]
La NASA (y la DSN por extensión) se estableció oficialmente el 1 de octubre de 1958 para consolidar los programas de exploración espacial que se desarrollaban por separado en el Ejército, la Marina y la Fuerza Aérea de los EE. UU . en una sola organización civil. [2]
El 3 de diciembre de 1958, el JPL fue transferido del Ejército de EE. UU. a la NASA y se le asignó la responsabilidad del diseño y la ejecución de programas de exploración lunar y planetaria utilizando naves espaciales controladas a distancia.
Poco después de la transferencia, la NASA estableció el concepto de la Instalación de Instrumentación del Espacio Profundo (DSIF) como un sistema de comunicaciones gestionado y operado por separado que daría cabida a todas las misiones en el espacio profundo , evitando así la necesidad de que cada proyecto de vuelo adquiera y opere su propia red de comunicaciones espaciales especializada.
El sistema codificado Doppler, de alcance y comando (CODORAC) desarrollado por Eberhardt Rechtin, Richard Jaffe y Walt Victor se convirtió en la base de gran parte de la electrónica del DSIF. [3] [4] Susan Finley fue parte del equipo que construyó el software de la red. [5] [6]
Para poder realizar misiones al espacio profundo las 24 horas del día, era necesario establecer una red de tres estaciones separadas por aproximadamente 120 grados de longitud, de modo que, cuando la Tierra girase, siempre hubiera una nave espacial por encima del horizonte de al menos una estación. Con este fin, se establecieron dos instalaciones en el extranjero con antenas de 26 m para complementar los sitios de antena de 26 m (DSIF 11 y 12) en Goldstone , California. (DSIF 13 en Goldstone se utilizó para investigación y desarrollo). El primer sitio en el extranjero fue DSIF 41 en Island Lagoon, cerca de Woomera, en Australia. Lo operaba el Departamento de Suministros de Australia, que dirigía el Campo de Cohetes de Woomera . El otro, DSIF 51, estaba en Hartebeesthoek, cerca de Johannesburgo, en Sudáfrica, y lo operaba el Consejo Sudafricano de Investigación Científica e Industrial (CSIR). Estas dos estaciones se completaron en 1961. Cada estación DSIF tenía capacidad de transmisión y recepción a 960 MHz en la banda L del espectro de radio, y podía procesar telemetría. Los circuitos telefónicos y de teletipo conectaban las estaciones con una sala de operaciones de misiones en el JPL. A medida que las misiones se hicieron más numerosas, la sala de operaciones se convirtió en la Instalación de Operaciones de Vuelos Espaciales (que fue designada monumento histórico nacional en 1985), y el personal y el equipo común a todas las misiones se incorporaron a la DSIF, que pasó a llamarse Red del Espacio Profundo en 1963.
La DSN se hizo responsable de su propia investigación, desarrollo y operación en apoyo a todos sus usuarios. Bajo este concepto, se ha convertido en un líder mundial en el desarrollo de receptores de bajo ruido; grandes antenas parabólicas; sistemas de seguimiento, telemetría y comando; procesamiento de señales digitales; y navegación en el espacio profundo.
El DSN comenzó el período en que podía soportar naves espaciales y telemetría diseñadas por el JPL y fue mejorado progresivamente para hacer frente a las mayores demandas que le imponía los nuevos programas.
En 1963, la disponibilidad de nuevos amplificadores y transmisores que operaban en la banda S (a 2.200 MHz) permitió a la DSN aprovechar un mejor rendimiento de seguimiento en la frecuencia más alta, y las misiones posteriores se diseñaron para utilizarla. Sin embargo, las misiones Ranger y Mariner iniciales todavía necesitaban la banda L, por lo que se instalaron convertidores en las estaciones junto con las nuevas actualizaciones de banda S. Estos convertidores se eliminaron al final de las misiones de banda L. Esta transferencia a la banda S fue una mejora importante de las capacidades de la DSN en esta era; otra fue la introducción de estándares de frecuencia de rubidio que mejoraron la calidad de los datos Doppler de radio y, por lo tanto, mejoraron las determinaciones de trayectoria necesarias para las misiones interplanetarias.
A medida que las misiones apoyadas y planificadas se hicieron más numerosas, se hizo evidente que se necesitaba una segunda red de estaciones. Por razones políticas y logísticas, las nuevas estaciones en el extranjero se establecieron en Robledo, cerca de Madrid, en España, y en Tidbinbilla, cerca de Canberra, en Australia, y la segunda red de antenas de 26 m estuvo operativa en 1965.
El JPL había reconocido desde hacía tiempo la necesidad de antenas más grandes para apoyar misiones a planetas distantes y en Goldstone se construyó una antena de 64 m con un diseño radicalmente nuevo. [7] Proporcionaba una sensibilidad seis veces superior a la de las antenas de 26 m, duplicando con creces su alcance de seguimiento. La estación se puso en servicio en 1966 con el nombre de DSS 14.
En Cabo Cañaveral se utilizaron equipos móviles DSN para comprobar la compatibilidad y el funcionamiento de las naves espaciales antes del lanzamiento y para supervisar el vuelo inicial. En 1965, se convirtió en una instalación permanente, la DSS 71.
Las primeras misiones Surveyor se planearon para lanzarse con una trayectoria de ascenso directo a la Luna, en lugar de insertarse desde una órbita de estacionamiento. La inyección translunar se realizaría entonces antes de que la nave espacial se elevara en DSS 51 o 61. Para obtener los datos de trayectoria iniciales, vitales para las correcciones a mitad de curso, se construyó una nueva estación con una antena pequeña y de rápido movimiento en la Isla Ascensión , que se convirtió en DSS 72. La estación se integró con el programa Apolo.
En el período de 1966 a 1968, el programa lunar de la NASA Surveyor, Lunar Orbiter y soporte de respaldo Apollo utilizó casi por completo la DSN. Los programas Pioneer, Surveyor y Lunar Orbiter suministraron equipos dependientes de la misión en las estaciones de seguimiento para fines de comando y procesamiento de telemetría y esto podía ser bastante grande. Por ejemplo, el equipo Lunar Orbiter en DSS 41 requirió la construcción de una extensión a la sala de control, un área de procesamiento fotográfico y cuarto oscuro, y equipo desmineralizador de agua. [8] El personal de la estación mantuvo y operó el equipo Pioneer, pero el equipo Surveyor y Lunar Orbiter, considerablemente más complejo, fue operado por personal de la misión, al menos en las primeras misiones.
Se equipó una red de tres estaciones para Surveyor y otra red dedicada a Lunar Orbiter. También se necesitó apoyo para la misión Mariner 5 Venus y para las naves espaciales interplanetarias Pioneer 6-9, que siguieron operando mucho después de su vida útil prevista. También se recuperó la Mariner 4. DSS 14, la nueva antena de 64 m, fue convocada para apoyar casi todas estas misiones, pero no siempre como un sitio privilegiado.
Para simplificar los problemas de acomodar equipos especiales de mando y telemetría y personal en las estaciones, la DSN desarrolló un enfoque "multimisión". Se proporcionaría un conjunto genérico de equipos que todas las misiones futuras utilizarían, y se comenzó introduciendo computadoras en las estaciones para descodificar la telemetría. El equipo dependiente de la misión podría reemplazarse por programas de computadora separados para cada misión. Otra mejora significativa en esta época fue la introducción de sistemas de medición de distancia que utilizaban una señal codificada transmitida hacia y desde la nave espacial. El tiempo de viaje se utilizó para medir el alcance con mayor precisión y a mayores distancias, y esto mejoró la determinación de la trayectoria y la navegación. Los relojes de la estación se mantuvieron sincronizados a 5 microsegundos utilizando el sistema "Moon Bounce". La estación Goldstone Venus transmitió una señal de sincronización de banda X codificada a cada estación en el extranjero durante los períodos de observación lunar mutua. La señal se adaptó en cada ocasión para permitir el tiempo de propagación a la estación a través de la Luna.
En 1969, las naves espaciales Mariner 6 y Mariner 7 con destino a Marte se encontraban en la misma parte del cielo y ambas a la vista de un sitio DSN al mismo tiempo, aunque no dentro del ancho de haz de una sola antena. Para rastrearlas simultáneamente se necesitaban dos antenas y dos procesadores de datos de telemetría, uno para cada enlace descendente. Al mismo tiempo, se rastreó la nave espacial interplanetaria Pioneer y se requirió apoyo de respaldo para Apollo. La DSN nuevamente se vio presionada para dar servicio a todos sus clientes. Cuando Marte comenzó a acercarse hacia fines de julio, las operaciones de encuentro comenzaron con Mariner 7 solo cinco días después que Mariner 6. Corliss describe lo que sucedió a continuación. [9]
Todo parecía ir bien hasta unas seis horas antes del encuentro con el Mariner 6, cuando Johannesburgo informó de que la señal del Mariner 7 había desaparecido. Fue una emergencia que llegó en el peor momento posible. La antena de Robledo, España, interrumpió su seguimiento del Pioneer 8 y comenzó a buscar la nave espacial perdida. Cuando Marte quedó a la vista de Goldstone, la antena del Pioneer 26m se unió a la búsqueda, mientras que la antena del Echo 26m continuó rastreando al Mariner 6. Se decidió enviar una orden al Mariner 7 para que cambiara de la antena de alta ganancia altamente direccional a su antena omnidireccional de baja ganancia. La nave espacial respondió correctamente y, de repente, tanto la estación Pioneer como la estación Tidbinbilla comenzaron a recibir telemetría de baja velocidad de la nave espacial recuperada. Algo le había pasado a la nave espacial, pero nadie sabía exactamente qué.
Mudgway continúa: [1]
Si bien la DSN se comprometió a brindar apoyo a un Mariner a la vez en una fase crítica de la misión, esta situación presentó una nave espacial que se acercaba al encuentro y una segunda con un problema grave y desconocido. Para abordarlo, la DSN dedicó su mayor esfuerzo al encuentro en curso con el Mariner 6, mientras que un equipo especial en el JPL estudiaba la anomalía del Mariner 7.
Afortunadamente, el encuentro con el Mariner 6 se desarrolló sin problemas. Se tomaron muchas fotografías de Marte y se enviaron a la Tierra con éxito utilizando tanto el sistema de telemetría de alta velocidad como el de baja velocidad normal. El "Equipo Tigre" especial del JPL pudo superar el problema de actitud del Mariner 7 utilizando el visor de telemetría de alta velocidad en tiempo real, las cámaras de televisión de Marte, a tiempo para llevar a cabo un encuentro muy exitoso.
En ambos encuentros, el nuevo Sistema de Telemetría de Alta Velocidad (HRT) demostró su eficacia, no sólo para recuperarse de la emergencia del Mariner 7, sino también para proporcionar un canal mucho más rápido para reproducir televisión y otras transmisiones científicas de alta velocidad desde Marte a la Tierra.
La misión Mariner 9, lanzada en 1971, fue una misión orbital a Marte mucho más complicada que las misiones de sobrevuelo anteriores y que requería una navegación precisa y velocidades de datos elevadas. Desde la última misión Mariner, el sistema de telemetría multimisión y el sistema de telemetría de alta velocidad (HRT) estaban completamente operativos, pero los datos de alta velocidad solo se podían enviar cuando la antena de 64 m de Goldstone estaba realizando el seguimiento.
En esta época se produjo una importante expansión del número de antenas. [10] Se construyó una antena adicional de 26 m y otra de 64 m en Tidbinbilla y Robledo para dar soporte a las misiones Apollo y Mariner 10 y Viking, ambas planeadas. Como parte de una consolidación de estaciones en ubicaciones centrales, la estación Woomera (DSS 41) fue desmantelada en 1972. La antena y el equipo básico de recepción y central eléctrica se ofrecieron al gobierno australiano y, aunque los científicos australianos la utilizaron para realizar mediciones pioneras de VLBI, [11] finalmente fue desmantelada y desechada debido a problemas logísticos y al coste prohibitivo de transportarla a una nueva ubicación. La DSS 51 en Sudáfrica fue desmantelada de manera similar en 1974, pero en este caso fue asumida por el Consejo Sudafricano de Investigación Científica e Industrial (CSIR) y puesta en servicio nuevamente como una instalación de radioastronomía, que ahora es el Observatorio de Radioastronomía Hartebeesthoek .
El Mariner 10 incorporó un sobrevuelo de Venus seguido de un orbitador alrededor de Mercurio, y requirió la red de antenas de 64 m y mejoras especiales de la DSN, incluyendo el uso de un máser superenfriado de desarrollo en el DSS 43, la instalación de una placa reflectora dicroica de banda S/X y conos de alimentación en el DSS 14 y circuitos de transmisión de datos mejorados desde las estaciones de la DSN al JPL. El segundo encuentro con Mercurio en 1974 fue a una mayor distancia y la técnica de "agrupar" antenas, que había sido demostrada por ingenieros españoles en el complejo de Madrid, se utilizó en Goldstone. La misión Pioneer 10 con un encuentro de 60 días con Júpiter compitió por el tiempo en las antenas de 26 m y 64 m con la misión Mariner 10 y la necesidad de vigilancia por radar de 64 m de Goldstone de posibles sitios de aterrizaje de Viking. La asignación de los recursos de la DSN se volvió aún más difícil.
Para apoyar el programa de aterrizaje tripulado de la misión Apolo, la Red de Vuelos Espaciales Tripulados (MSFN) de la NASA instaló antenas adicionales de 26 m en Goldstone; Honeysuckle Creek , [12] Australia; y Fresnedillas, [13] España. Sin embargo, durante las operaciones lunares era necesario realizar un seguimiento de las naves espaciales en dos lugares diferentes. En lugar de duplicar las instalaciones de la MSFN para estos pocos días de uso, en este caso la DSN realizó un seguimiento de una mientras que la MSFN realizó un seguimiento de la otra. La DSN diseñó las estaciones de la MSFN para la comunicación lunar y proporcionó una segunda antena en cada sitio de la MSFN (los sitios de la MSFN estaban cerca de los sitios de la DSN precisamente por esta razón).
Esta disposición también proporcionaba redundancia y ayuda en caso de emergencias. Casi todas las naves espaciales están diseñadas de modo que se pueda llevar a cabo una operación normal con las antenas más pequeñas (y más económicas) de la DSN (o MSFN). Sin embargo, durante una emergencia, el uso de las antenas más grandes es crucial. Esto se debe a que una nave espacial con problemas puede verse obligada a utilizar una potencia de transmisión inferior a la normal, los problemas de control de actitud pueden impedir el uso de antenas de alta ganancia y recuperar cada bit de telemetría es fundamental para evaluar el estado de la nave espacial y planificar la recuperación.
Un ejemplo famoso de Apolo fue la misión Apolo 13 , donde la limitada potencia de la batería y la imposibilidad de utilizar las antenas de alta ganancia de la nave espacial redujeron los niveles de señal por debajo de la capacidad del MSFN, y el uso de las antenas DSN más grandes (y el radiotelescopio del Observatorio australiano Parkes ) fue fundamental para salvar las vidas de los astronautas.
Se necesitaban dos antenas en cada sitio, tanto por redundancia como porque los anchos de haz de las antenas grandes necesarias eran demasiado pequeños para abarcar tanto el orbitador lunar como el módulo de aterrizaje al mismo tiempo. DSN también suministró algunas antenas más grandes según fuera necesario, en particular para transmisiones de televisión desde la Luna y comunicaciones de emergencia como las del Apolo 13. [14]
De un informe de la NASA que describe cómo el DSN y el MSFN cooperaron para el Apolo: [15]
Otro paso decisivo en la evolución de la red Apolo se produjo en 1965 con la aparición del concepto DSN Wing. Originalmente, la participación de las antenas DSN de 26 m durante una misión Apolo se limitaría a una función de respaldo. Esta fue una de las razones por las que los sitios MSFN de 26 m se ubicaron junto con los sitios DSN en Goldstone, Madrid y Canberra.
Sin embargo, la presencia de dos naves espaciales bien separadas durante las operaciones lunares estimuló la reconsideración del problema del seguimiento y la comunicación. Una idea fue agregar un sistema de RF de banda S dual a cada una de las tres antenas MSGN de 26 m, dejando las antenas DSN de 26 m cercanas aún en una función de respaldo. Sin embargo, los cálculos mostraron que un patrón de antena de 26 m centrado en el módulo lunar aterrizado sufriría una pérdida de 9 a 12 db en el horizonte lunar, lo que dificultaría, tal vez imposibilitaría, el seguimiento y la adquisición de datos del módulo de servicio de comando en órbita.
Tenía sentido utilizar simultáneamente las antenas MSFN y DSN durante las importantísimas operaciones lunares. Naturalmente, el JPL se mostraba reacio a comprometer los objetivos de sus numerosas naves espaciales no tripuladas entregando tres de sus estaciones DSN a la MSFN durante largos períodos. ¿Cómo podrían alcanzarse los objetivos de la misión Apolo y de la exploración del espacio profundo sin construir una tercera antena de 26 m en cada uno de los tres emplazamientos o socavar las misiones científicas planetarias?
La solución llegó a principios de 1965 en una reunión en la sede de la NASA, cuando Eberhardt Rechtin sugirió lo que hoy se conoce como el "concepto de ala". El enfoque del ala implica la construcción de una nueva sección o "ala" para el edificio principal en cada uno de los tres sitios de la DSN involucrados. El ala incluiría una sala de control de MSFN y el equipo de interfaz necesario para lograr lo siguiente:
- Permitir el seguimiento y la transferencia bidireccional de datos con cualquiera de las naves espaciales durante las operaciones lunares.
- Permitir el seguimiento y la transferencia bidireccional de datos con la nave espacial combinada durante el vuelo a la Luna.
- Proporcionar respaldo para la pista pasiva del sitio MSFN ubicado conjuntamente (enlaces de RF de nave espacial a tierra) de la nave espacial Apolo durante las fases translunar y transterrestre.
Con este arreglo, la estación DSN podría cambiar rápidamente de una misión de espacio profundo a Apolo y viceversa. El personal de GSFC operaría el equipo MSFN con total independencia del personal de DSN. Las misiones de espacio profundo no se verían tan comprometidas como si todo el equipo y el personal de la estación se transfirieran a Apolo durante varias semanas.
Los detalles de esta cooperación y operación están disponibles en un informe técnico de dos volúmenes del JPL. [16] [17]
El programa Viking , principalmente Viking 1 y Viking 2 , obligó a realizar algunas innovaciones con respecto a la transmisión de alta potencia a Marte y a la recepción y retransmisión de la telemetría de las naves de desembarco.
Las naves vikingas finalmente fracasaron, una por una, de la siguiente manera: [18]
El programa Viking finalizó el 21 de mayo de 1983. Para evitar un impacto inminente con Marte, se elevó la órbita del orbitador Viking 1. El impacto y la posible contaminación de la superficie del planeta son posibles a partir de 2019. [19]
En diciembre de 2006, el Mars Reconnaissance Orbiter descubrió que el módulo de aterrizaje Viking 1 se encontraba a unos 6 kilómetros de su sitio de aterrizaje planificado. [20]
El módulo de aterrizaje Viking 1 aterrizó en la parte occidental de Chryse Planitia ("Llanura Dorada") a las 22°41′49″N 48°13′19″O / 22.697, -48.222 a una altitud de referencia de −2,69 km con respecto a un elipsoide de referencia con un radio ecuatorial de 3397,2 km y una planitud de 0,0105 (22,480° N, 47,967° O planetográfico) a las 11:53:06 UT (16:13 hora local de Marte). Quedaban aproximadamente 22 kg de combustible en el momento del aterrizaje.
La transmisión de la primera imagen de la superficie comenzó 25 segundos después del aterrizaje y duró unos 4 minutos. Durante esos minutos, el módulo de aterrizaje se activó automáticamente. Levantó una antena de alta ganancia apuntando hacia la Tierra para la comunicación directa y desplegó un brazo meteorológico equipado con sensores. En los siguientes 7 minutos se tomó la segunda imagen de la escena panorámica de 300°. [21]
Después de 1972 no hubo misiones a la Luna. En cambio, en la década de 1980 se hizo hincapié en la exploración del espacio profundo. Se lanzó un programa de modernización para aumentar el tamaño de las antenas de 64 m. Entre 1982 y 1988, las tres antenas de 64 metros de la subred de Marte en Goldstone (España) y Australia se ampliaron a 70 metros. [22]
La mejora media del rendimiento de las tres estaciones DSS de la subred fue de más de 2 db en la banda X gracias a la modernización. Este aumento del rendimiento fue vital para el retorno de datos científicos durante los exitosos encuentros de la Voyager con Urano y Neptuno, y las primeras etapas de su misión interestelar. La modernización también amplió el rango útil de comunicaciones de la Pioneer 10 de unas 50 unidades astronómicas a unas 60 unidades astronómicas en la banda S.
Tras el paso de la Voyager por Urano, la DSN demostró la capacidad de combinar las señales de la antena de radioastronomía de Parkes (Australia) con las antenas de la red de Tidbinbilla. Esta capacidad de subred de la DSS es ahora una parte estándar del funcionamiento de la red.
El encuentro de la Voyager con Neptuno en agosto de 1989 representó un desafío adicional para la Red. El personal de la DSN negoció con varios observatorios de radio la opción de combinar señales con las estaciones de espacio profundo.
Por acuerdo, el Very Large Array (VLA) había acordado equipar las 27 antenas con receptores de banda X para poder comunicarse con la Voyager en Neptuno. El acoplamiento del VLA con la subred de antenas Goldstone hizo posible el retorno de importantes datos científicos, en particular para obtener imágenes del planeta y su satélite y para detectar anillos alrededor de Neptuno.
La DSN también proporciona servicios de emergencia a otras agencias espaciales. Por ejemplo, la recuperación de la misión del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) de la Agencia Espacial Europea (ESA) no habría sido posible sin el uso de las mayores instalaciones de la DSN. [23]
Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .