Un segmento terrestre consta de todos los elementos terrestres de un sistema espacial utilizado 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 Cerca de la Tierra y la Red Espacial de la NASA , manejan las comunicaciones con múltiples naves espaciales a través del tiempo compartido . [3] : 22
Los equipos de la estación terrestre pueden monitorearse y controlarse remotamente . A menudo hay estaciones de respaldo desde las cuales se puede mantener el contacto por radio si hay un problema en la estación terrestre principal que la incapacita para operar, como un desastre natural. Dichas contingencias son consideradas en un plan de Continuidad de Operaciones .
Las señales que se enviarán a una nave espacial primero deben extraerse de los paquetes de la red terrestre , codificarse en banda base y modularse , [10] generalmente en una portadora de frecuencia intermedia (IF), antes de convertirse 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 el plato parabólico .
Las señales recibidas ("enlaces descendentes") pasan a través de un amplificador de bajo ruido (a menudo ubicado en el concentrador de la antena para minimizar la distancia que debe viajar la señal) antes de ser convertidas a IF; Estas dos funciones se pueden combinar en un convertidor reductor de bloque de bajo ruido . Luego, la señal IF se demodula y el flujo de datos se extrae mediante sincronización y decodificación de bits y cuadros . [10] Los errores de datos, como los causados por la degradación de la señal , se identifican y corrigen siempre que sea posible. [10] El flujo de datos extraído luego se empaqueta o guarda en archivos para su transmisión en redes terrestres. Las estaciones terrestres pueden almacenar temporalmente la telemetría recibida para su posterior reproducción en los 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.
Una sola nave espacial puede utilizar múltiples bandas de RF para diferentes flujos de datos de telemetría, comando y carga útil , según el 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 paso en el horizonte.
Las estaciones terrestres deben rastrear las naves espaciales para poder apuntar sus antenas adecuadamente 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 automáticas de distancias ; Los tonos de alcance pueden multiplexarse con señales de comando y telemetría. Los datos de seguimiento y alcance de la estación terrestre se pasan al centro de control junto con la telemetría de la nave espacial, donde a menudo se utilizan para la determinación de la órbita .
Los centros de control de misión procesan, analizan y distribuyen telemetría de naves espaciales y emiten comandos , cargas de datos y actualizaciones de software para las naves espaciales. Para las naves espaciales tripuladas, el control de la 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 limpieza, diagnóstico, ciencia y otros tipos se pueden realizar en canales virtuales separados . El software de control de vuelo realiza el procesamiento inicial de la telemetría recibida, que incluye:
Se solicita 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 nemotécnicos, calibraciones y límites estrictos y suaves asociados. [7] : 486 El contenido de esta base de datos, especialmente las calibraciones y los límites, puede actualizarse periódicamente para mantener la coherencia con el software integrado y los procedimientos operativos; 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 las naves espaciales se formatean de acuerdo con la base de datos de la nave y se validan con la base de datos antes de transmitirse a través de una estación terrestre. Los comandos pueden emitirse manualmente en tiempo real o pueden formar parte de procedimientos automatizados o semiautomáticos cargados en su totalidad. [7] : 485 Normalmente, los comandos recibidos exitosamente 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 circuito cerrado . Las actividades comandadas pueden pertenecer directamente a los objetivos de la misión o pueden ser parte de la gestión interna . Los comandos (y la telemetría) pueden cifrarse para evitar el acceso no autorizado a la nave espacial o sus datos.
Los procedimientos de la nave espacial generalmente se desarrollan y prueban en un simulador de nave espacial 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 dinámica de vuelo y control de red , [3] : 475 o estas funciones pueden manejarse a través de terminales remotas fuera del centro de control. A medida que la potencia informática a bordo y la complejidad del software de vuelo han aumentado, 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 continuo o regular de controladores de vuelo . 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 establezcan para operaciones "sin luces" (o automatizadas ), como medio para controlar los costos. [16] El software de control de vuelo normalmente generará notificaciones de eventos importantes, tanto planificados como no planificados, en el segmento terrestre o espacial que pueden requerir la intervención del operador. [dieciséis]
Las terminales remotas son interfaces en redes terrestres, separadas del centro de control de la misión, a las que pueden acceder los controladores de carga útil , analistas de telemetría, equipos científicos e instrumentales , y personal de apoyo , como administradores de sistemas y equipos de desarrollo de software . Pueden ser de sólo recepción o pueden transmitir datos a la red terrestre.
Los terminales utilizados por los clientes de servicios , incluidos los ISP y los usuarios finales , se denominan colectivamente "segmento de usuarios" y normalmente se distinguen del segmento terrestre. Los terminales de usuario, incluidos los sistemas de televisión por satélite y los teléfonos satelitales , 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 y el comportamiento tanto de la nave espacial como del segmento terrestre 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 de los segmentos terrestre y 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 geográficamente separados pueden conectarse mediante 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 una consideración particularmente importante para los sistemas críticos , siendo el tiempo de actividad y el tiempo medio de recuperación una preocupación primordial. Al igual que con otros aspectos del sistema de la nave espacial, la redundancia de los componentes de la red es el medio principal 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 a menudo incorporan protocolos de cifrado y firewalls para proporcionar información y seguridad de la red . El software antivirus y los sistemas de detección de intrusos 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 contables. Según un estudio de la Universidad Tecnológica de Delft , [Nota 1] el segmento terrestre contribuye aproximadamente el 5% del coste total de un sistema espacial. [18] Según un informe de la Corporación RAND sobre las misiones de naves espaciales pequeñas de la NASA, los costos de operación por sí solos contribuyen con el 8% al costo de vida útil de una misión típica; la integración y las pruebas representan otro 3,2%, las instalaciones terrestres el 2,6% y las instalaciones terrestres el 2,6%. ingeniería de sistemas 1,1%. [19] : 10
Los factores de costo del segmento terrestre incluyen requisitos impuestos a las 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 medio para controlar los costos de personal. [dieciséis]
