La Red de Espacio Profundo ( DSN ) de la NASA es una red mundial de instalaciones de segmento terrestre de comunicaciones de naves espaciales, ubicadas en los Estados Unidos (California), España (Madrid) y Australia (Canberra), que respalda las misiones de naves espaciales interplanetarias de la NASA . También realiza observaciones astronómicas de radio y radar para la exploración del Sistema Solar y el universo , y respalda misiones seleccionadas en órbita terrestre . DSN es parte del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
Actualmente, la DSN consta de tres instalaciones de comunicaciones en el espacio profundo ubicadas de tal 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 con forma de cuenco para ayudar a protegerse contra la interferencia 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]
La 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 trae de regreso las imágenes y la nueva información científica que estas sondas recopilan. Todas las antenas de la 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. La DSN funciona según los estándares del Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales , al igual que la mayoría de las demás redes de espacio profundo, y por tanto la DSN puede interoperar con las redes de otras agencias espaciales. Entre ellas se incluyen la Red de Espacio Profundo Soviética , la Red de Espacio Profundo China , la Red de Espacio Profundo India , la Red de Espacio Profundo Japonesa y la ESTRACK de la Agencia Espacial Europea . Estas agencias suelen cooperar para lograr una mejor cobertura de las misiones. [6] En particular, la DSN tiene un acuerdo de apoyo cruzado con la ESA que permite el uso mutuo de ambas redes para lograr una mayor eficacia y reducir los riesgos. [7] Además, a veces se utilizan instalaciones de radioastronomía, como el Observatorio Parkes o el Telescopio Green Bank , para complementar las antenas de la DSN.
Las antenas de los tres complejos DSN se comunican directamente con el Centro de Operaciones de Espacio Profundo (también conocido como centro de control de operaciones de la Red de Espacio Profundo) ubicado en las instalaciones del JPL en Pasadena, California . [3]
En los primeros años, el centro de control de operaciones no tenía una instalación permanente. Era una instalación 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 comenzó la construcción de la instalación permanente, Space Flight Operations Facility (SFOF). La instalación se completó en octubre de 1963 y se inauguró el 14 de mayo de 1964. En la configuración inicial del SFOF, había 31 consolas, 100 cámaras de televisión de circuito cerrado y más de 200 pantallas de televisión para dar soporte a los vuelos del Ranger 6 al Ranger 9 y el Mariner 4. [ 8]
En la actualidad, el personal del centro de operaciones de la SFOF supervisa y dirige las operaciones y supervisa la calidad de los datos de navegación y telemetría de las naves espaciales que se entregan a los usuarios de la red. Además de los complejos de la DSN y del centro de operaciones, una instalación de comunicaciones terrestres proporciona comunicaciones que vinculan los tres complejos con el centro de operaciones del JPL, con los centros de control de vuelos espaciales en los Estados Unidos y en el extranjero, y con científicos de todo el mundo. [9]
El seguimiento de vehículos en el espacio profundo es muy diferente del seguimiento de misiones en órbita terrestre baja (LEO). Las misiones en el 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 (la DSN tiene solo tres sitios principales). Sin embargo, estas pocas estaciones requieren antenas enormes, receptores ultrasensibles y transmisores potentes para poder transmitir y recibir a lo largo de las grandes 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 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 el uso en el espacio profundo y cerca de la Tierra , define el "espacio profundo" como el comienzo a una distancia de 2 millones de km (1,2 millones de mi) de la superficie de la Tierra. [12]
La red de espacio profundo de la NASA puede enviar y recibir en todas las bandas de espacio profundo de la UIT: banda S (2 GHz), banda X (8 GHz) y banda Ka (32 GHz).
Sin embargo, no todas las misiones espaciales pueden utilizar estas bandas. La Luna, los puntos de Lagrange Tierra-Luna y los puntos de Lagrange Tierra-Sol L 1 y L 2 están todos a menos de 2 millones de kilómetros de la Tierra (las distancias se indican aquí ), por lo que se consideran espacio cercano y no pueden utilizar las bandas de espacio profundo de la UIT. Las misiones en estos lugares que necesitan altas velocidades de datos deben utilizar la banda K de "espacio cercano" (27 GHz). Dado que la NASA tiene varias misiones de este tipo (como el telescopio espacial James Webb y el orbitador de reconocimiento lunar ), han mejorado la red de espacio profundo para recibir (pero no transmitir) también en estas frecuencias. [13]
La DSN también está trabajando en la comunicación óptica en el espacio profundo, que ofrece mayores velocidades de comunicación a costa de la susceptibilidad a las condiciones meteorológicas y la necesidad de apuntar la nave espacial con extrema precisión. Esta tecnología está funcionando en forma de prototipo. [14]
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 de seguimiento de radio portátiles en Nigeria, Singapur y California para recibir telemetría y trazar la órbita del Explorer 1 lanzado por el Ejército, el primer satélite estadounidense exitoso . [15] La NASA se estableció oficialmente el 1 de octubre de 1958 para consolidar los programas de exploración espacial en desarrollo por separado del Ejército de los EE. UU., la Armada de los EE. UU. y la Fuerza Aérea de los EE. UU. en una sola organización civil. [16]
El 3 de diciembre de 1958, el JPL fue transferido del Ejército de los EE. UU. a la NASA y se le dio 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 Red del 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 adquiriera y operara su propia red de comunicaciones espaciales especializada. La DSN recibió la responsabilidad de su propia investigación, desarrollo y operación en apoyo de 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. La Red del Espacio Profundo anunció formalmente su intención de enviar misiones al espacio profundo en la víspera de Navidad de 1963; ha permanecido en funcionamiento continuo en una u otra capacidad desde entonces. [17]
Las antenas más grandes de la DSN suelen utilizarse durante emergencias en naves espaciales. Casi todas las naves espaciales están diseñadas para que la operación normal pueda realizarse en las antenas más pequeñas (y más económicas) de la 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 de su potencia de transmisión 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 incapacidad 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 más grandes de la DSN (y el radiotelescopio australiano del Observatorio Parkes ) fue fundamental para salvar las vidas de los astronautas. Si bien Apolo también fue una misión estadounidense, la 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 se encargaba de rastrear naves espaciales no tripuladas, la Red del Espacio Profundo (DSN) también contribuyó a la comunicación y el seguimiento de las misiones Apolo a la Luna , aunque la responsabilidad principal estuvo a cargo de la Red de Vuelos Espaciales Tripulados (MSFN). La DSN diseñó las estaciones MSFN para la 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 tanto por redundancia como 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. La DSN también proporcionó algunas antenas más grandes según fuera necesario, en particular para transmisiones de televisión desde la Luna y comunicaciones de emergencia como la del Apolo 13. [18]
Extracto de un informe de la NASA que describe cómo el DSN y el MSFN cooperaron para el Apolo: [19]
Otro paso crítico en la evolución de la red Apolo llegó en 1965 con la llegada 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 el replanteamiento 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 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 aterrizado sufriría una pérdida de 9 a 12 db en el horizonte lunar, lo que dificultaría, quizás 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. [20] [21]
La red es una instalación de la NASA y es administrada y operada para la NASA por el JPL, que es parte del Instituto de Tecnología de California (Caltech). La Dirección de Red Interplanetaria (IND) administra el programa dentro del JPL y está a cargo de su desarrollo y operación. Se considera que el IND es el punto focal del JPL para todos los asuntos relacionados con las telecomunicaciones, la navegación interplanetaria, los sistemas de información, la tecnología de la información, la computación, la ingeniería de software y otras tecnologías relevantes. Si bien el IND es más conocido por sus funciones relacionadas con la Red del Espacio Profundo, la organización también mantiene el Sistema de Operaciones Multimisión Avanzada (AMMOS) del JPL y los Servicios Institucionales de Computación e Información (ICIS) del JPL. [22] [23]
Las instalaciones en España y Australia son de propiedad conjunta y se gestionan en colaboración 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 Ciencia Espacial de la CSIRO para gestionar las operaciones diarias, la ingeniería y las actividades de mantenimiento del Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Canberra". [24] 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, posee los bienes muebles (como antenas y equipos electrónicos) que ha pagado y decide hacia dónde apuntar las antenas. [25] De manera similar, en España, "Ingeniería de Sistemas para la Defensa de España SA (ISDEFE), una subsidiaria de propiedad absoluta del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y parte del Departamento de Defensa español, opera y mantiene el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Madrid (Madrid)". [24]
Peraton (anteriormente Harris Corporation ) tiene contrato con el JPL para las operaciones y el mantenimiento de la DSN. Peraton es responsable de la gestión del complejo Goldstone, la operación del DSOC y las operaciones de la DSN, la planificación de misiones, la ingeniería de operaciones y la logística. [26] [27] [28]
Cada complejo consta de al menos cuatro terminales de espacio profundo equipadas con sistemas de recepción ultrasensibles y grandes antenas parabólicas. Son:
A finales de los años 90 se añadieron al sistema cinco de las antenas de guía de ondas de haz de 34 metros (112 pies). Tres de ellas estaban situadas en Goldstone, una en Canberra y otra en Madrid. En 2004 se completó la construcción de una segunda antena de guía de ondas de haz de 34 metros (112 pies) (la sexta de la red) en el complejo de Madrid.
Para satisfacer las necesidades actuales y futuras de los servicios de comunicación en el espacio profundo, se tuvieron que construir varias antenas nuevas de la Estación Espacial Profunda en los emplazamientos existentes de la Red Espacial Profunda. En el Complejo de Comunicación Espacial Profunda de Canberra, la primera de ellas se completó en octubre de 2014 (DSS35), y la segunda entró en funcionamiento en octubre de 2016 (DSS36). [29] Una nueva antena parabólica de 34 metros (DSS53) entró en funcionamiento en el complejo de Madrid en febrero de 2022. [30]
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 un conjunto. Todos los sistemas serán actualizados para tener capacidades de enlace ascendente en banda X y capacidades de enlace descendente en banda X y Ka. [31]
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Las capacidades generales de la DSN no han cambiado sustancialmente desde el comienzo de la Misión Interestelar Voyager a principios de los años 1990. Sin embargo, la DSN ha adoptado muchos avances en procesamiento de señales digitales, disposición de matrices y corrección de errores.
La capacidad de disponer varias antenas se incorporó para mejorar los datos obtenidos del encuentro de la Voyager 2 con Neptuno , y se utilizó ampliamente para la misión Galileo , cuando la antena de alta ganancia de la nave espacial no pudo desplegarse y, como resultado, Galileo se vio obligada a recurrir a operar únicamente con sus antenas de baja ganancia. [32]
El conjunto de antenas DSN actualmente disponibles desde la misión Galileo puede conectar la antena parabólica de 70 metros (230 pies) del complejo Deep Space Network en Goldstone, California, con una antena idéntica ubicada en Australia, además de dos antenas de 34 metros (112 pies) en el complejo de Canberra. Los sitios de California y Australia se utilizaron simultáneamente para captar comunicaciones con Galileo .
También se utiliza la disposición de antenas dentro de las tres ubicaciones de la DSN. Por ejemplo, una antena parabólica de 70 metros (230 pies) se puede disponer en una disposición con una antena parabólica de 34 metros. Para misiones especialmente vitales, como la Voyager 2 , se pueden añadir a la disposición instalaciones que no sean de la DSN que se utilizan normalmente para la radioastronomía. [33] En particular, la antena parabólica de 70 metros (230 pies) de Canberra se puede disponer en una disposición con el radiotelescopio Parkes en Australia; y la antena parabólica de 70 metros de Goldstone se puede disponer en una disposición con el Very Large Array de antenas en Nuevo México. [34] Además, dos o más antenas parabólicas de 34 metros (112 pies) en una ubicación de la DSN se disponen juntas comúnmente.
Todas las estaciones se operan 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 la nave espacial. 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 Multiple Spacecraft Per Aperture (Múltiples naves espaciales por apertura ) o MSPA . Actualmente, la DSN puede recibir hasta 4 señales de naves espaciales al mismo tiempo, o MSPA-4. Sin embargo, las aperturas no se pueden compartir actualmente para el enlace ascendente. Cuando se utilizan dos o más portadoras de alta potencia simultáneamente, los productos de intermodulación de orden muy alto caen en las bandas del receptor, lo que causa interferencias en las señales recibidas mucho más débiles (25 órdenes de magnitud). [35] Por lo tanto, solo una nave espacial a la vez puede obtener un enlace ascendente, aunque se pueden recibir hasta 4.
La red de espacio profundo actual tiene una serie de limitaciones y varios desafíos que afrontar en el futuro. La mayoría de ellos se describen en una auditoría de la red de espacio profundo de la NASA realizada por la Oficina del Inspector General de la NASA. [36] Sus principales conclusiones son:
También se han detectado otros problemas:
Debido a los límites de capacidad de la DSN, las nuevas naves espaciales destinadas a misiones más allá de las órbitas geocéntricas están siendo equipadas para utilizar el servicio de modo baliza , que permite que dichas misiones funcionen sin la DSN la mayor parte del tiempo. [41] Además, la NASA está creando una red de sitios terrestres de exploración lunar para descargar gran parte de las necesidades de la misión lunar y Artemisa de la DSN.
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La DSN forma parte del experimento de ciencias de la radio que se incluye en la mayoría de las misiones al espacio profundo, en el que se utilizan enlaces de radio entre naves espaciales y la Tierra para investigar la ciencia planetaria, la física espacial y la 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. [42]
Por ejemplo, la Red de Espacio Profundo forma un componente del experimento de ciencia gravitacional en Juno . Esto incluye hardware de comunicación especial en Juno y utiliza su sistema de comunicación. [43] La DSN irradia un enlace ascendente de banda Ka, que es captado por el sistema de comunicación de banda Ka de Juno y luego procesado por una caja de comunicación especial llamada KaTS, y luego esta nueva señal es enviada de vuelta a la DSN. [43] Esto permite que la velocidad de la nave espacial a lo largo del tiempo se determine con un nivel de precisión que permite una determinación más precisa del campo gravitacional en el planeta Júpiter. [43] [44]
Otro experimento radiocientífico es el REX , que se lleva a cabo en la nave espacial New Horizons con destino a Plutón-Caronte. El REX recibió una señal de la Tierra cuando Plutón la ocultó para tomar diversas medidas de ese sistema de cuerpos.
Este artículo incorpora material de dominio público de William R. Corliss (junio de 1974). Informe técnico de la NASA CR 140390, Historias de la red de seguimiento y adquisición de datos espaciales (STADAN), la red de vuelos espaciales tripulados (MSFN) y la red de comunicaciones de la NASA (NASCOM) (PDF) . NASA. hdl :2060/19750002909. Archivado (PDF) desde el original el 2022-03-03.
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