Segmento de solo - Ground segment

Um sistema de nave espacial simplificado. Setas laranja pontilhadas denotam links de rádio; setas pretas sólidas denotam links de rede no solo. (Os terminais de usuário normalmente contam com apenas um dos caminhos indicados para acesso aos recursos do segmento espacial.)
Instalações de segmento terrestre em todo o mundo

Um segmento terrestre consiste em todos os elementos baseados no solo de um sistema de espaçonave usado por operadores e pessoal de apoio, em oposição ao segmento espacial e ao segmento de usuário. O segmento terrestre permite o gerenciamento de uma espaçonave e a distribuição de dados de carga útil e telemetria entre as partes interessadas no solo. Os principais elementos de um segmento de solo são:

Esses elementos estão presentes em quase todas as missões espaciais, sejam comerciais, militares ou científicas. Eles podem estar localizados juntos ou separados geograficamente e podem ser operados por diferentes partes. Alguns elementos podem suportar várias espaçonaves simultaneamente.

Elementos

Estações terrestres

Veja também: Estação terrestre
Antenas parabólicas em estação terrena da Embratel em Tanguá , Brasil

As estações terrestres fornecem interfaces de rádio entre o espaço e os segmentos terrestres para telemetria, rastreamento e comando (TT&C), bem como transmissão e recepção de dados de carga útil. Redes de rastreamento, tais como NASA 's Near Earth Network e Space Network , comunicações punho com nave espacial múltipla por meio de compartilhamento de tempo .

Os equipamentos da estação terrestre podem ser monitorados e controlados remotamente , geralmente por meio de interfaces seriais e / ou IP . Normalmente, há estações de backup a partir das quais o contato de rádio pode ser mantido se houver um problema na estação terrestre primária que a torne incapaz de operar, como um desastre natural. Tais contingências são consideradas em um plano de Continuidade de Operações .

Transmissão e recepção

Os sinais a serem uplinked para uma nave espacial devem primeiro ser extraídos de pacotes de rede terrestre , codificados para banda base e modulados , normalmente em uma portadora de frequência intermediária (IF), antes de serem convertidos para a banda de radiofrequência (RF) atribuída . O sinal de RF é então amplificado para alta potência e transportado via guia de ondas para uma antena para transmissão. Em climas mais frios, aquecedores elétricos ou ventiladores de ar quente podem ser necessários para evitar o acúmulo de gelo ou neve no prato parabólico.

Os sinais recebidos ("downlinked") são passados ​​por um amplificador de baixo ruído (geralmente localizado no hub da antena para minimizar a distância que o sinal deve percorrer) antes de serem convertidos para IF; essas duas funções podem ser combinadas em um conversor descendente de bloco de baixo ruído . O sinal IF é então desmodulado e o fluxo de dados extraído por meio de sincronização e decodificação de bit e quadro . Erros de dados, como aqueles causados ​​pela degradação do sinal , são identificados e corrigidos sempre que possível. O fluxo de dados extraído é então empacotado ou salvo em arquivos para transmissão em redes terrestres. As estações terrestres podem armazenar temporariamente a telemetria recebida para reprodução posterior nos centros de controle, muitas vezes quando a largura de banda da rede terrestre não é suficiente para permitir a transmissão em tempo real de toda a telemetria recebida.

Uma única nave espacial pode fazer uso de várias bandas de RF para diferentes fluxos de dados de telemetria, comando e carga útil , dependendo da largura de banda e outros requisitos.

Passes

O momento dos passes , quando existe uma linha de visão para a espaçonave, é determinado pela localização das estações terrestres e pelas características da órbita ou trajetória da espaçonave . A Rede Espacial usa satélites de retransmissão geoestacionários para estender as oportunidades de passagem no horizonte.

Rastreamento e alcance

As estações terrestres devem rastrear a espaçonave para apontar suas antenas adequadamente e devem levar em consideração o deslocamento Doppler das frequências de RF devido ao movimento da espaçonave. As estações terrestres também podem realizar alcance automatizado ; tons de variação podem ser multiplexados com sinais de comando e telemetria. Os dados de rastreamento e alcance da estação terrestre são passados ​​para o centro de controle junto com a telemetria da espaçonave, onde são frequentemente usados ​​na determinação da órbita.

Centros de controle de missão

Veja também: Lista de centros de controle de missão
Centro de controle do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA

Os centros de controle de missão processam, analisam e distribuem telemetria de espaçonaves e emitem comandos , uploads de dados e atualizações de software para espaçonaves. Para espaçonaves com tripulação, o controle da missão gerencia as comunicações de voz e vídeo com a tripulação. Os centros de controle também podem ser responsáveis ​​pelo gerenciamento da configuração e arquivamento de dados . Tal como acontece com as estações terrestres, normalmente existem instalações de controle de backup disponíveis para apoiar a continuidade das operações.

Processamento de telemetria

Os centros de controle usam telemetria para determinar o status de uma espaçonave e seus sistemas. Manutenção, diagnóstico, ciência e outros tipos de telemetria podem ser realizados em canais virtuais separados . O software de controle de vôo realiza o processamento inicial da telemetria recebida, incluindo:

  1. Separação e distribuição de canais virtuais
  2. Ordenação de tempo e verificação de lacunas de quadros recebidos (lacunas podem ser preenchidas comandando uma retransmissão)
  3. Decomutação de valores de parâmetro e associação desses valores com nomes de parâmetro chamados mnemônicos
  4. Conversão de dados brutos em valores calibrados (engenharia) e cálculo de parâmetros derivados
  5. Limite e verificação de restrição (que pode gerar notificações de alerta)
  6. Geração de monitores de telemetria, que podem ser tabulares, gráficos ( plotagens de parâmetros uns contra os outros ou ao longo do tempo) ou sinóticos (gráficos orientados à interface).

Um banco de dados de espaçonaves fornecido pelo fabricante de espaçonaves é chamado para fornecer informações sobre a formatação de quadros de telemetria, as posições e frequências dos parâmetros dentro de quadros e seus mnemônicos associados, calibrações e limites suaves e rígidos. O conteúdo deste banco de dados - especialmente calibrações e limites - pode ser atualizado periodicamente para manter a consistência com o software de bordo e procedimentos operacionais; eles podem mudar durante a vida de uma missão em resposta a atualizações , degradação do hardware no ambiente espacial e mudanças nos parâmetros da missão.

Comandante

Os comandos enviados à espaçonave são formatados de acordo com o banco de dados da espaçonave e são validados no banco de dados antes de serem transmitidos por meio de uma estação terrestre . Os comandos podem ser emitidos manualmente em tempo real ou podem fazer parte de procedimentos automatizados ou semiautomáticos. Normalmente, os comandos recebidos com sucesso pela espaçonave são reconhecidos na telemetria e um contador de comandos é mantido na espaçonave e no solo para garantir a sincronização. Em certos casos, o controle de malha fechada pode ser executado. As atividades comandadas podem pertencer diretamente aos objetivos da missão, ou podem fazer parte das tarefas domésticas . Comandos (e telemetria) podem ser criptografados para impedir o acesso não autorizado à espaçonave ou seus dados.

Os procedimentos da espaçonave são geralmente desenvolvidos e testados em um simulador de espaçonave antes de serem usados ​​com a espaçonave real.

Análise e suporte

Os centros de controle de missão podem contar com subsistemas de processamento de dados "offline" (ou seja, em tempo não real ) para lidar com tarefas analíticas, tais como:

Espaços físicos dedicados podem ser fornecidos no centro de controle para certas funções de apoio à missão, como dinâmica de vôo e controle de rede , ou essas funções podem ser tratadas por meio de terminais remotos fora do centro de controle. À medida que o poder de computação a bordo e a complexidade do software de voo aumentam, há uma tendência de se realizar um processamento de dados mais automatizado a bordo da espaçonave .

Pessoal

Os centros de controle podem ter uma equipe contínua ou regular de controladores de vôo . A equipe normalmente é maior durante as fases iniciais de uma missão e durante procedimentos e períodos críticos . Cada vez mais comumente, os centros de controle para espaçonaves sem rosca podem ser configurados para operação "apagada" (ou automatizada ), como meio de controlar custos. O software de controle de vôo normalmente gera notificações de eventos significativos - planejados e não planejados - no segmento de solo ou espaço que podem exigir a intervenção do operador.

Redes terrestres

As redes terrestres tratam da transferência de dados e da comunicação de voz entre diferentes elementos do segmento terrestre. Essas redes geralmente combinam elementos de LAN e WAN , pelos quais diferentes partes podem ser responsáveis. Elementos separados geograficamente podem ser conectados por meio de linhas alugadas ou redes virtuais privadas . O projeto de redes terrestres é orientado por requisitos de confiabilidade , largura de banda e segurança .

A confiabilidade é uma consideração particularmente importante para sistemas críticos , com o tempo de atividade e o tempo médio de recuperação sendo uma preocupação primordial. Como acontece com outros aspectos do sistema da espaçonave, a redundância dos componentes da rede é o principal meio de alcançar a confiabilidade necessária do sistema.

As considerações de segurança são vitais para proteger os recursos de espaço e dados confidenciais. Os links de WAN geralmente incorporam protocolos de criptografia e firewalls para fornecer informações e segurança de rede . O software antivírus e os sistemas de detecção de intrusão fornecem segurança adicional nos terminais da rede.

Terminais remotos

Terminais remotos são interfaces em redes terrestres, separadas do centro de controle de missão, que podem ser acessadas por controladores de carga útil , analistas de telemetria, equipes de instrumentos e ciência e pessoal de suporte , como administradores de sistema e equipes de desenvolvimento de software . Eles podem ser apenas de recepção ou podem transmitir dados para a rede terrestre.

Os terminais usados ​​por clientes de serviço , incluindo ISPs e usuários finais , são chamados coletivamente de "segmento de usuário" e normalmente se distinguem do segmento terrestre. Os terminais de usuário, incluindo sistemas de televisão por satélite e telefones por satélite, comunicam-se diretamente com a espaçonave, enquanto outros tipos de terminais de usuário dependem do segmento terrestre para recepção, transmissão e processamento de dados.

Integração e instalações de teste

Os veículos espaciais e suas interfaces são montados e testados em instalações de integração e teste (I&T). A I&T específica da missão oferece uma oportunidade de testar totalmente as comunicações e o comportamento da espaçonave e do segmento de solo antes do lançamento.

Instalações de lançamento

Os veículos são entregues ao espaço por meio de instalações de lançamento , que cuidam da logística dos lançamentos de foguetes. As instalações de lançamento são normalmente conectadas à rede terrestre para retransmitir a telemetria antes e durante o lançamento. O veículo lançador em si é às vezes considerado um "segmento de transferência", que pode ser considerado distinto dos segmentos espacial e terrestre.

Custos

Os custos associados ao estabelecimento e operação de um segmento terrestre são altamente variáveis ​​e dependem de métodos contábeis. De acordo com um estudo da Delft University of Technology , o segmento terrestre contribui com aproximadamente 5% do custo total de um sistema espacial. De acordo com um relatório da RAND Corporation sobre as missões de pequenas espaçonaves da NASA, os custos de operação sozinhos contribuem com 8% para o custo de vida de uma missão típica, com integração e testes perfazendo mais 3,2%, instalações terrestres 2,6% e engenharia de sistemas terrestres 1.1 %

Os direcionadores de custo do segmento de solo incluem requisitos colocados em instalações, hardware, software, conectividade de rede, segurança e pessoal. Os custos da estação terrestre, em particular, dependem em grande parte da potência de transmissão necessária, banda (s) de RF e da adequação das instalações preexistentes. Os centros de controle podem ser altamente automatizados como meio de controlar os custos de pessoal.

Imagens

Veja também

Referências