La Red de Espacio Profundo de la NASA ( DSN ) es una red mundial de instalaciones de segmentos terrestres de comunicación de naves espaciales , ubicadas en Estados Unidos (California), España (Madrid) y Australia (Canberra), que respalda las misiones de naves espaciales interplanetarias de la NASA . También realiza observaciones astronómicas por radio y radar para la exploración del Sistema Solar y el universo , y apoya determinadas misiones en órbita terrestre . DSN es parte del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL).
Actualmente, DSN consta de tres instalaciones de comunicaciones en el espacio profundo ubicadas de manera que una nave espacial distante siempre esté a la vista de al menos una estación. [1] [2] [3] Son:
Cada instalación está situada en un terreno semimontañoso en forma de cuenco para ayudar a protegerse contra las interferencias de radiofrecuencia. [4] La ubicación estratégica de las estaciones permite la observación constante de las naves espaciales a medida que la Tierra gira, lo que ayuda a hacer del DSN el sistema de telecomunicaciones científicas más grande y sensible del mundo. [5]
El DSN apoya la contribución de la NASA a la investigación científica del Sistema Solar : proporciona un enlace de comunicaciones bidireccional que guía y controla varias sondas espaciales interplanetarias no tripuladas de la NASA y recupera las imágenes y la nueva información científica que recopilan estas sondas. Todas las antenas DSN son antenas reflectoras parabólicas orientables y de alta ganancia . [4] Las antenas y los sistemas de entrega de datos permiten: [2]
Otros países y organizaciones también gestionan redes de espacio profundo. El DSN opera de acuerdo con los estándares del Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales , al igual que la mayoría de las otras redes del espacio profundo y, por lo tanto, el DSN puede interoperar con las redes de otras agencias espaciales. Estas incluyen la Red Soviética de Espacio Profundo , la Red China de Espacio Profundo , la Red India de Espacio Profundo , la Red Japonesa de Espacio Profundo y el ESTRACK de la Agencia Espacial Europea . Estas agencias a menudo cooperan para una mejor cobertura de la misión. [6] En particular, DSN tiene un acuerdo de soporte cruzado con la ESA que permite el uso mutuo de ambas redes para una mayor efectividad y un riesgo reducido. [7] Además, a veces se utilizan instalaciones de radioastronomía, como el Observatorio Parkes o el Telescopio Green Bank , para complementar las antenas del DSN.
Las antenas de los tres Complejos DSN se comunican directamente con el Centro de Operaciones del Espacio Profundo (también conocido como centro de control de operaciones de la Red del Espacio Profundo) ubicado en las instalaciones del JPL en Pasadena, California . [3]
En los primeros años, el centro de control de operaciones no contaba con una instalación permanente. Era una configuración provisional con numerosos escritorios y teléfonos instalados en una gran sala cerca de las computadoras utilizadas para calcular las órbitas. En julio de 1961, la NASA inició la construcción de la instalación permanente, la Instalación de Operaciones de Vuelos Espaciales (SFOF). La instalación se completó en octubre de 1963 y se inauguró el 14 de mayo de 1964. En la configuración inicial de la SFOF, había 31 consolas, 100 cámaras de televisión de circuito cerrado y más de 200 pantallas de televisión para brindar soporte desde el Ranger 6 al Ranger 9 y al Mariner. 4 . [8]
Actualmente, el personal del centro de operaciones de SFOF monitorea y dirige las operaciones, y supervisa la calidad de los datos de navegación y telemetría de las naves espaciales entregados a los usuarios de la red. Además de los complejos DSN y el centro de operaciones, una instalación de comunicaciones terrestres proporciona comunicaciones que conectan los tres complejos con el centro de operaciones del JPL, con los centros de control de vuelos espaciales en los Estados Unidos y el extranjero, y con científicos de todo el mundo. [9]
El seguimiento de vehículos en el espacio profundo es bastante diferente al seguimiento de misiones en órbita terrestre baja (LEO). Las misiones al espacio profundo son visibles durante largos períodos de tiempo desde una gran parte de la superficie de la Tierra, por lo que requieren pocas estaciones (el DSN tiene sólo tres sitios principales). Estas pocas estaciones, sin embargo, requieren antenas enormes, receptores ultrasensibles y transmisores potentes para transmitir y recibir a lo largo de las enormes distancias involucradas.
El espacio profundo se define de varias maneras diferentes. Según un informe de la NASA de 1975, el DSN fue diseñado para comunicarse con "naves espaciales que viajan aproximadamente a 16.000 km (10.000 millas) desde la Tierra hasta los planetas más lejanos del sistema solar". [10] Los diagramas del JPL [11] establecen que a una altitud de 30.000 km (19.000 mi), una nave espacial siempre está en el campo de visión de una de las estaciones de seguimiento.
La Unión Internacional de Telecomunicaciones , que reserva varias bandas de frecuencia para uso en el espacio profundo y cerca de la Tierra , define el "espacio profundo" como comenzando a una distancia de 2 millones de kilómetros (1,2 millones de millas) de la superficie de la Tierra. [12] Estos están en banda S, banda X, banda K y banda Ka.
Debido a que la Luna, los puntos de Lagrange Tierra-Luna y los puntos Lagrangianos Tierra-Sol L 1 y L 2 están todos a menos de 2 millones de kilómetros de la Tierra (las distancias están aquí ), se consideran cercanos al espacio y no pueden utilizar la profundidad de la UIT. bandas espaciales .
El precursor del DSN se estableció en enero de 1958, cuando el JPL , entonces bajo contrato con el ejército de los EE. UU. , desplegó estaciones portátiles de seguimiento de 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 . [13] La NASA se estableció oficialmente el 1 de octubre de 1958 para consolidar los programas de exploración espacial que se desarrollaban por separado del Ejército de los EE. UU., la Marina de los EE. UU . y la Fuerza Aérea de los EE. UU. en una sola organización civil. [14]
El 3 de diciembre de 1958, el JPL fue transferido del Ejército de los EE. UU. a la NASA y se le asignó la responsabilidad del diseño y ejecución de programas de exploración lunar y planetaria utilizando naves espaciales controladas remotamente. Poco después de la transferencia, la NASA estableció el concepto de Red de Espacio Profundo como un sistema de comunicaciones administrado y operado por separado que daría cabida a todas las misiones al espacio profundo , evitando así la necesidad de que cada proyecto de vuelo adquiera y opere su propia red de comunicaciones espaciales especializada. Al DSN se le dio la responsabilidad de su propia investigación, desarrollo y operación en apoyo de todos sus usuarios. Bajo este concepto, se ha convertido en 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. La Deep Space Network anunció formalmente su intención de enviar misiones al espacio profundo en la víspera de Navidad de 1963; ha permanecido en funcionamiento continuo en una capacidad u otra desde entonces. [15]
Las antenas más grandes del DSN suelen ser utilizadas durante emergencias de naves espaciales. Casi todas las naves espaciales están diseñadas para que el funcionamiento normal pueda realizarse con las antenas más pequeñas (y más económicas) del DSN, pero 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 menos potencia de su transmisor que 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. . El ejemplo más famoso es la misión Apolo 13 , donde la energía limitada 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 de la Red de Vuelos Espaciales Tripulados , y el uso de las antenas DSN más grandes (y las antenas australianas Parkes El radiotelescopio del Observatorio ) fue fundamental para salvar la vida de los astronautas. Si bien Apolo también fue una misión estadounidense, DSN también proporciona este servicio de emergencia a otras agencias espaciales, en un espíritu de cooperación interinstitucional e internacional. 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 del DSN.
Aunque normalmente tenía la tarea de rastrear naves espaciales no tripuladas, la Red de Espacio Profundo (DSN) también contribuyó a la comunicación y el seguimiento de las misiones Apolo a la Luna , aunque la responsabilidad principal recaía en la Red de Vuelos Espaciales Tripulados (MSFN). El DSN diseñó las estaciones MSFN para comunicación lunar y proporcionó una segunda antena en cada sitio MSFN (los sitios MSFN estaban cerca de los sitios DSN precisamente por esta razón). Se necesitaban dos antenas en cada sitio por motivos de redundancia y porque los anchos de haz de las grandes antenas 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 fue necesario, en particular para transmisiones de televisión desde la Luna y comunicaciones de emergencia como las del Apolo 13. [16]
Extracto de un informe de la NASA que describe cómo cooperaron el DSN y el MSFN para el Apolo: [17]
Otro paso crítico en la evolución de la Red Apollo se produjo en 1965 con la llegada del concepto DSN Wing. Originalmente, la participación de las antenas DSN de 26 m durante una misión Apolo debía limitarse 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 un replanteamiento del problema del seguimiento y la comunicación. Una idea era agregar un sistema RF de banda S dual a cada una de las tres antenas MSFN de 26 m, dejando las antenas DSN de 26 m cercanas todavía en una función de respaldo. Sin embargo, los cálculos mostraron que un patrón de antena de 26 m centrado en el módulo lunar alunizado sufriría una pérdida de 9 a 12 db en el horizonte lunar, lo que dificultaría, tal vez imposibilitara, el seguimiento y la adquisición de datos del módulo de servicio de comando en órbita. Tenía sentido utilizar las antenas MSFN y DSN simultáneamente durante las importantes operaciones lunares. Naturalmente, el JPL se mostró reacio a comprometer los objetivos de sus numerosas naves espaciales no tripuladas entregando tres de sus estaciones DSN al MSFN durante largos períodos. ¿Cómo podrían lograrse los objetivos tanto de Apolo como de la exploración del espacio profundo sin construir una tercera antena de 26 m en cada uno de los tres sitios 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" del edificio principal en cada uno de los tres sitios DSN involucrados. El ala incluiría una sala de control MSFN y el equipo de interfaz necesario para lograr lo siguiente:
- Permitir el seguimiento y la transferencia de datos bidireccional con cualquiera de las naves espaciales durante las operaciones lunares.
- Permitir el seguimiento y la transferencia de datos bidireccional con la nave espacial combinada durante el vuelo a la Luna.
- Proporcionar respaldo para la pista pasiva del sitio MSFN colocado (enlaces de RF entre la nave espacial y la tierra) de la nave espacial Apollo durante las fases translunar y transterrestre.
Con esta disposición, la estación DSN podría pasar rápidamente de una misión al espacio profundo a Apolo y viceversa. El personal de GSFC operaría el equipo MSFN de forma completamente independiente del personal de DSN. Las misiones al espacio profundo no se verían tan comprometidas como si todo el equipo y el personal de la estación fueran entregados a Apolo durante varias semanas.
Los detalles de esta cooperación y operación están disponibles en un informe técnico de dos volúmenes del JPL. [18] [19]
La red es una instalación de la NASA y está administrada y operada para la NASA por JPL, que forma parte del Instituto de Tecnología de California (Caltech). La Dirección de Red Interplanetaria (IND) gestiona el programa dentro del JPL y está encargada de su desarrollo y operación. El IND se considera el punto focal del JPL para todos los asuntos relacionados con telecomunicaciones, navegación interplanetaria, sistemas de información, tecnología de la información, informática, ingeniería de software y otras tecnologías relevantes. Si bien el IND es mejor conocido por sus funciones relacionadas con la Red de Espacio Profundo, la organización también mantiene el Sistema Avanzado de Operaciones Multi-Misión (AMMOS) del JPL y los Servicios de Información y Computación Institucional (ICIS) del JPL. [20] [21]
Las instalaciones de España y Australia son de propiedad conjunta y están operadas en conjunto con las instituciones científicas de ese gobierno. En Australia, "la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), una autoridad estatutaria del gobierno de la Commonwealth de Australia, estableció la División de Astronomía y Ciencias Espaciales de la CSIRO para gestionar las operaciones diarias, la ingeniería y las actividades de mantenimiento del Canberra Deep Space. Complejo de Comunicaciones". [22] La mayor parte del personal de Tidbinbilla son empleados del gobierno australiano; el terreno y los edificios son propiedad del gobierno australiano; La NASA proporciona la mayor parte de la financiación, es propietaria de los bienes muebles (como antenas parabólicas y equipos electrónicos) que ha pagado y decide hacia dónde apuntar las antenas. [23] De manera similar, en España, "Ingeniería de Sistemas para la Defensa de España SA (ISDEFE), una filial de propiedad absoluta del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y parte del Ministerio de Defensa español, opera y mantiene el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Madrid (Madrid)". [22]
Peraton (anteriormente Harris Corporation ) tiene contrato con JPL para las operaciones y el mantenimiento del DSN. Peraton tiene la responsabilidad de gestionar el complejo Goldstone, operar el DSOC y las operaciones de DSN, planificación de misiones, ingeniería de operaciones y logística. [24] [25] [26]
Cada complejo consta de al menos cuatro terminales de espacio profundo equipadas con sistemas receptores ultrasensibles y grandes antenas parabólicas. Hay:
A finales de la década de 1990 se agregaron al sistema cinco de las antenas de guía de ondas de haz de 34 metros (112 pies). Tres estaban ubicados en Goldstone, uno en Canberra y uno en Madrid. En 2004 se completó en el complejo de Madrid una segunda antena de guía de ondas de haz de 34 metros (112 pies) (la sexta de la red).
Para satisfacer las necesidades actuales y futuras de los servicios de comunicación en el espacio profundo, fue necesario construir varias antenas nuevas de la Estación del Espacio Profundo en los sitios existentes de la Red del Espacio Profundo. En el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Canberra, el primero de ellos se completó en octubre de 2014 (DSS35), y el segundo entró en funcionamiento en octubre de 2016 (DSS36). [27] Una nueva antena parabólica de 34 metros (DSS53) entró en funcionamiento en el complejo de Madrid en febrero de 2022. [28]
Para 2025, las antenas de 70 metros en las tres ubicaciones serán desmanteladas y reemplazadas por antenas BWG de 34 metros que se instalarán en disposición. Todos los sistemas se actualizarán para tener capacidades de enlace ascendente en banda X y capacidades de enlace descendente en banda X y Ka. [29]
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Las capacidades generales del DSN no han cambiado sustancialmente desde el comienzo de la Misión Interestelar Voyager a principios de los años 1990. Sin embargo, el DSN ha adoptado muchos avances en el procesamiento de señales digitales, la disposición y la corrección de errores.
La capacidad de disponer varias antenas se incorporó para mejorar los datos obtenidos del encuentro con Neptuno de la Voyager 2 y se utilizó ampliamente en la misión Galileo , cuando la antena de alta ganancia de la nave espacial no se pudo desplegar y, como resultado, Galileo se vio obligado a recurrir a operar únicamente de sus antenas de baja ganancia. [30]
El conjunto DSN actualmente disponible desde la misión Galileo puede conectar la antena parabólica de 70 metros (230 pies) en el complejo Deep Space Network en Goldstone, California, con una antena idéntica ubicada en Australia, además de dos antenas de 34 metros (112 pies). ) antenas en el complejo de Canberra. Los sitios de California y Australia se utilizaron simultáneamente para establecer comunicaciones con Galileo .
También se utiliza la disposición de antenas dentro de las tres ubicaciones DSN. Por ejemplo, una antena parabólica de 70 metros (230 pies) se puede combinar con una antena parabólica de 34 metros. Para misiones especialmente vitales, como la Voyager 2 , se pueden agregar al conjunto instalaciones sin DSN que normalmente se utilizan para radioastronomía. [31] En particular, el plato de Canberra de 70 metros (230 pies) se puede conectar con el Radiotelescopio Parkes en Australia; y el plato Goldstone de 70 metros se puede montar con el Very Large Array de antenas en Nuevo México. [32] Además, dos o más antenas parabólicas de 34 metros (112 pies) en una ubicación DSN comúnmente se colocan juntas.
Todas las estaciones son operadas de forma remota desde un Centro de Procesamiento de Señales centralizado en cada complejo. Estos Centros albergan los subsistemas electrónicos que apuntan y controlan las antenas, reciben y procesan los datos de telemetría, transmiten comandos y generan los datos de navegación de las naves espaciales. Una vez que los datos se procesan en los complejos, se transmiten al JPL para su posterior procesamiento y distribución a los equipos científicos a través de una red de comunicaciones moderna.
Especialmente en Marte, a menudo hay muchas naves espaciales dentro del ancho del haz de una antena. Para lograr eficiencia operativa, una sola antena puede recibir señales de varias naves espaciales al mismo tiempo. Esta capacidad se llama Múltiples naves espaciales por apertura , o MSPA . Actualmente, el DSN puede recibir hasta 4 señales de naves espaciales al mismo tiempo, o MSPA-4. Sin embargo, actualmente las aperturas no se pueden compartir para el enlace ascendente. Cuando se utilizan simultáneamente dos o más portadoras de alta potencia, productos de intermodulación de orden muy alto caen en las bandas del receptor, causando interferencia en las señales recibidas mucho más débiles (25 órdenes de magnitud). [33] Por lo tanto, sólo una nave espacial a la vez puede obtener un enlace ascendente, aunque se pueden recibir hasta 4.
El DSN actual tiene una serie de limitaciones y una serie de desafíos en el futuro.
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El DSN forma una parte del experimento de radiociencia incluido en la mayoría de las misiones al espacio profundo, donde se utilizan enlaces de radio entre naves espaciales y la Tierra para investigar ciencia planetaria, física espacial y física fundamental. Los experimentos incluyen ocultaciones de radio, determinación del campo gravitatorio y mecánica celeste, dispersión biestática, experimentos de viento Doppler, caracterización de la corona solar y pruebas de física fundamental. [39]
Por ejemplo, la Red del Espacio Profundo forma un componente del experimento científico de la gravedad en Juno . Esto incluye hardware de comunicación especial en Juno y utiliza su sistema de comunicación. [40] El DSN irradia un enlace ascendente en banda Ka, que es recogido por el sistema de comunicación en banda Ka de Juno y luego procesado por una caja de comunicación especial llamada KaTS, y luego esta nueva señal se envía de regreso al DSN. [40] Esto permite determinar la velocidad de la nave espacial a lo largo del tiempo con un nivel de precisión que permite una determinación más precisa del campo de gravedad en el planeta Júpiter. [40] [41]
Otro experimento radiocientífico es el REX de la nave espacial New Horizons a Plutón-Caronte. REX recibió una señal de la Tierra mientras estaba oculta por Plutón, para tomar diversas medidas de ese sistema de cuerpos.
