История сети Deep Space

Сеть Deep Space

Организация	Управление межпланетной сети
Координаты	34 ° 12'3 "N 118 ° 10'18" W / 34,20083 ° N 118,17167 ° W / 34,20083; -118,17167 Координаты : 34 ° 12′3 ″ N 118 ° 10′18 ″ з.д. / 34,20083 ° N 118,17167 ° W / 34,20083; -118.17167
Веб-сайт	Веб-сайт Deepspace Network
Телескопы
Коммуникационный комплекс в глубоком космосе Голдстоуна около Барстоу, Калифорния, США Робледо де Чавела недалеко от Мадрида, Испания Канберра Комплекс связи в глубоком космосе недалеко от Канберры, Австралия

В эту статью включены материалы, являющиеся общественным достоянием с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.

, предшественника сети Deep Space Network была создана в январе 1958 года, когда JPL, затем по контракту с США Армия развернула портативные радиостанции слежения в Нигерии, Сингапуре и Калифорнии для приема телеметрии и построения орбиты запущенного армией Explorer 1, первого успешного US спутник.

НАСА (и, соответственно, DSN) был официально учрежден 1 октября 1958 г. для объединения отдельно разрабатываемых программ исследования космоса армии США, ВМС США и ВВС США в одну гражданскую организацию.

• 1 Происхождение в 1950-е годы
• 2 Морская эра - 1961-1974 годы
  • 2,1 1966-1968
  • 2,2 1969-1974
  • 2.3 Программа Аполлона
• 3 Эра викингов с 1974 по 1978 год
• 4 Эра Вояджера с 1977 по 1986 год
• 5 Эра Галилея с 1986 по 1996 год
• 6 Источники

3 декабря 1958 года JPL была передана из армии США в НАСА и получила ответственность за разработку и выполнение программ исследования Луны и планет с использованием дистанционно управляемых космических кораблей.

Вскоре после передачи НАСА разработало концепцию Инструментального комплекса для глубокого космоса (DSIF) как отдельно управляемую и управляемую систему связи, которая могла бы обслуживать все миссии в дальний космос, тем самым избегая необходимости в каждый полетный проект приобретает и эксплуатирует собственную специализированную сеть космической связи.

Система кодированного доплера, измерения дальности и команд (CODORAC), разработанная Эберхардтом Рехтином, Ричардом Джаффе и Уолтом Виктором, стала основой для большей части электроники DSIF. Сьюзан Финли была частью системы. команда, создавшая программное обеспечение сети.

Для круглосуточной поддержки миссий в дальний космос необходимо было создать сеть из трех станций, разделенных примерно 120 градусами долготы, чтобы при повороте Земли космический корабль мог всегда над горизонтом хотя бы одной станции. С этой целью были созданы два зарубежных объекта с 26-метровыми антеннами в дополнение к 26-метровым антенным площадкам (DSIF 11 и 12) в Голдстоуне в Калифорнии. (DSIF 13 в Голдстоуне использовался для исследований и разработок.) ​​Первым заграничным участком был DSIF 41 в Island Lagoon около Woomera в Австралии. Он находился в ведении Департамента снабжения Австралии, в ведении которого находился ракетный полигон Вумера. Другой, DSIF 51, находился в Hartebeesthoek недалеко от Йоханнесбурга в Южной Африке, управляемый Южноафриканским советом по научным и промышленным исследованиям (CSIR). Строительство этих двух станций было завершено в 1961 году. Каждая станция DSIF имела возможность передачи и приема на частоте 960 МГц в L-диапазоне радиочастотного спектра и могла обрабатывать телеметрию. Телефонные и телетайпные сети связывали станции с операционным залом миссии в JPL. По мере того, как количество миссий становилось все более многочисленным, оперативная комната превратилась в Оперативный центр космических боев (который был спроектирован как национальный исторический памятник в 1985 году), а персонал и оборудование, общие для всех миссий, были включены в DSIF, который был переименован сеть Deep Space в 1963 году.

DSN получила ответственность за свои собственные исследования, разработки и эксплуатацию в поддержку всех своих пользователей. Согласно этой концепции, она стала мировым лидером в разработке малошумящих приемников; большие параболические антенны; системы слежения, телеметрии и управления; цифровая обработка сигналов; и навигация в дальнем космосе.

DSN начала период, когда была способна поддерживать космические аппараты JPL и телеметрию, и была постепенно улучшена, чтобы соответствовать возросшим требованиям, предъявляемым к ней новыми программами.

В 1963 г. появление новых усилителей и передатчиков, работающих в S-диапазоне (на 2200 МГц), позволило DSN воспользоваться преимуществами улучшенных характеристик отслеживания на более высокой частоте, и более поздние миссии были разработаны для его использования. Однако Ranger и ранние миссии Mariner все еще нуждались в L-диапазоне, поэтому конвертеры были установлены на станциях вместе с новыми модификациями S-диапазона. Эти преобразователи были удалены в конце миссий L-диапазона. Этот переход на S-диапазон был серьезным улучшением возможностей DSN в ту эпоху; другим было введение рубидиевых стандартов частоты, которые улучшили качество доплеровских радиоданных и, следовательно, улучшили определение траектории, необходимое для межпланетных миссий.

По мере того, как число поддерживаемых и запланированных миссий становилось все более многочисленным, стало ясно, что требуется вторая сеть станций. По политическим и логистическим причинам новые зарубежные станции были открыты в Робледо недалеко от Мадрида в Испании и в Тидбинбилла недалеко от Канберры в Австралии, а вторая сеть из 26-метровых антенн начала действовать в 1965 году.

Лаборатория реактивного движения давно осознала необходимость в более крупных антеннах для поддержки полетов на далекие планеты, и в Голдстоуне была построена 64-метровая антенна радикально новой конструкции. Он дал более чем в шесть раз большую чувствительность по сравнению с 26-метровыми антеннами, что более чем вдвое увеличило их дальность слежения. Станция была введена в эксплуатацию в 1966 году как DSS 14.

Мобильное оборудование DSN использовалось на мысе Канаверал для проверки совместимости и работы космических аппаратов перед запуском, а также для наблюдения за ранним полетом. В 1965 году это стало постоянным объектом, DSS 71.

Ранние миссии Surveyor планировалось запускать по траектории прямого восхождения к Луне, а не вылетать с орбиты стоянки. Тогда транслунная инъекция будет производиться до того, как космический корабль поднимется на DSS 51 или 61. Чтобы получить ранние данные о траектории, жизненно важные для корректировок на середине курса, на острове Вознесения и на его территории была построена новая станция с небольшой и быстро движущейся антенной. стал DSS 72. Станция была интегрирована с программой Apollo.

1966–1968 гг.

В период с 1966 по 1968 год в лунной программе НАСА Surveyor, Lunar Orbiter и резервной поддержке Apollo почти полностью использовалась DSN. Программы Pioneer, Surveyor и Lunar Orbiter поставляли зависимое от миссии оборудование на станциях слежения для целей обработки команд и телеметрии, и оно могло быть довольно большим. Например, оборудование Lunar Orbiter на DSS 41 требовало строительства пристройки к диспетчерской, зоны обработки фотографий и фотолаборатории, а также оборудования для деминерализации воды. Персонал станции обслуживал и эксплуатировал оборудование Pioneer, но значительно более задействованное оборудование Surveyor и Lunar Orbiter эксплуатировалось персоналом миссии, по крайней мере, на ранних миссиях.

Одна сеть из трех станций была оборудована для Surveyor, а другая сеть была предназначена для Lunar Orbiter. Поддержка была также необходима для миссии Mariner 5 Venus и межпланетных космических кораблей Pioneer 6-9, которые продолжали работать намного дольше ожидаемого срока службы. Маринер 4 тоже был поднят. DSS 14, новая 64-метровая антенна, была призвана поддерживать почти все эти миссии, но не всегда в качестве основного объекта.

Чтобы упростить проблемы размещения специального командного и телеметрического оборудования и персонала на станциях, DSN разработала "многоцелевой" подход. Будет предоставлен стандартный набор оборудования, которое будут использовать все будущие миссии, и начало было положено внедрением компьютеров на станциях для декодирования телеметрии. Оборудование, зависящее от миссии, может быть заменено отдельными компьютерными программами для каждой миссии. Другим значительным усовершенствованием в то время было внедрение систем измерения дальности, которые использовали кодированный сигнал, передаваемый на космический корабль и возвращаемый с него. Время в пути использовалось для более точного измерения дальности и для больших расстояний, что улучшило определение траектории и навигацию. Часы станции синхронизировались с точностью до 5 микросекунд с помощью системы "Moon Bounce". Станция Goldstone Venus передала закодированный сигнал синхронизации в X-диапазоне на каждую зарубежную станцию ​​во время периодов взаимного наблюдения за Луной. Каждый раз сигнал настраивался с учетом времени прохождения до станции через Луну.

1969–1974

В 1969 году космические корабли Mariner 6 и Mariner 7 на Марс находились в одной и той же части неба, и оба находились в зоне видимости объекта DSN одновременно, хотя и не в пределах ширина луча одиночной антенны. Для одновременного отслеживания обоих требовались две антенны и два процессора телеметрических данных, по одному для каждой нисходящей линии связи. В то же время отслеживались межпланетные космические корабли «Пионер» и требовалась резервная поддержка «Аполлона». DSN снова оказалась в затруднительном положении, чтобы обслуживать всех своих клиентов. Когда Марс начал приближаться к концу июля, операции по столкновению начались с Mariner 7 всего на пять дней позже Mariner 6. Корлисс описывает, что произошло дальше.

Все шло хорошо примерно за шесть часов до столкновения с Mariner 6, когда Йоханнесбург сообщил, что пропал сигнал от Mariner 7. Это была чрезвычайная ситуация, которая произошла в самый неподходящий момент. Антенна Робледо, Испания, прекратила слежение за Pioneer 8 и начала поиск потерянного космического корабля. Когда Марс появился в поле зрения Голдстоуна, к поиску присоединилась антенна Pioneer 26m, в то время как антенна Echo 26m продолжала отслеживать Mariner 6. Было решено отправить команду Mariner 7 переключиться с высоконаправленной антенны с высоким коэффициентом усиления на ее всенаправленную низкую. -усиление антенны. Космический корабль ответил правильно, и внезапно и станция «Пионер», и станция Тидбинбилла начали получать низкоскоростные телеметрические данные от восстановленного космического корабля. Что-то случилось с космическим кораблем, но никто не знал, что именно.

Мадгуэй продолжает:

Хотя DSN была обязана поддерживать одного моряка за раз в критически важной фазе, эта ситуация представляла один космический корабль, приближающийся к встрече, и второй - с серьезной и неизвестной проблемой. Чтобы справиться с этим, DSN приложил все усилия к продолжающейся встрече с Mariner 6, в то время как специальная группа в JPL изучала аномалию Mariner 7.

К счастью, события обнаружения Mariner 6 прошли без проблем. Многие снимки Марса были сделаны и успешно возвращены на Землю с использованием как высокоскоростной, так и нормальной низкоскоростной телеметрической системы. Специальная «Тигровая команда» в Лаборатории реактивного движения смогла преодолеть проблему ориентации «Маринера-7», используя высокоскоростной телеметрический прицел в реальном времени, телекамеры на Марсе, вовремя для проведения очень успешной встречи.

В обоих случаях новая высокоскоростная телеметрическая система (HRT) доказала свою ценность не только в восстановлении после аварийной ситуации Mariner 7, но и в обеспечении гораздо более быстрого канала для воспроизведения ТВ и других высокоскоростных передач. оцените науку от Марса до Земли.

«Маринер-9», запущенный в 1971 году, был орбитальной миссией Марса, намного более сложной, чем предыдущие пролетные миссии, и требовал точной навигации и высокой скорости передачи данных. После последней миссии Mariner система телеметрии для нескольких миссий и высокоскоростная телеметрическая система (HRT) были полностью готовы к работе. Но данные с высокой скоростью можно было отправить только тогда, когда отслеживала 64-метровая антенна в Голдстоуне.

В это время произошло существенное расширение количества антенн. На каждом из участков Тидбинбилла и Робледо были построены дополнительные 26-метровые и 64-метровые антенны для поддержки Apollo и Mariner 10 и запланированных миссий Viking. В рамках объединения станций в центральных точках станция Вумера (DSS 41) была выведена из эксплуатации в 1972 году. Антенна, а также базовое приемное и силовое оборудование были предложены правительству Австралии и, хотя и использовались австралийскими учеными для новаторских РСДБ-измерений, В конечном итоге он был разобран и списан из-за логистических проблем и непомерно высоких затрат на транспортировку на новое место. DSS 51 в Южной Африке был аналогичным образом выведен из эксплуатации в 1974 году, но в этом случае он был передан Южноафриканскому совету по научным и промышленным исследованиям (CSIR) и повторно введен в эксплуатацию в качестве радиоастрономического объекта, который сейчас Радиоастрономическая обсерватория Хартебистхук.

Mariner 10 включил пролет Венеры, за которым последовал орбитальный аппарат вокруг Меркурия, и потребовалась сеть из 64-метровых антенн и антенн. специальные усовершенствования DSN, включая использование опытного переохлажденного мазера на DSS 43, установку пластины дихроичного отражателя S / X-диапазона и конусов питания на DSS 14 и усовершенствованные схемы передачи данных от станций DSN в JPL. Второе столкновение с Меркурием в 1974 году произошло на большем расстоянии, и в Голдстоуне была использована техника «расстановки» антенн, которая была продемонстрирована испанскими инженерами на мадридском комплексе. Миссия Pioneer 10 с 60-дневным столкновением с Юпитером конкурировала за время на антеннах 26 м и 64 м с миссией Mariner 10 и потребностью в 64-метровом радиолокационном наблюдении Голдстоуна за возможными участками посадочного модуля Viking. Распределение ресурсов DSN стало еще сложнее.

Программа Apollo

Для поддержки программы пилотируемой посадки на Луну Apollo сеть пилотируемых космических полетов NASA (MSFN) установила дополнительные 26-метровые антенны в Голдстоуне; Honeysuckle Creek [2], Австралия; и Фреснедильяс [3], Испания. Однако во время лунных операций необходимо было отслеживать космические корабли в двух разных местах. Вместо того, чтобы дублировать средства MSFN для этих нескольких дней использования, в этом случае DSN отслеживал одно, а MSFN - другое. DSN разработала станции MSFN для лунной связи и предоставила вторую антенну на каждом сайте MSFN (именно по этой причине сайты MSFN были рядом с сайтами DSN).

Эта схема также обеспечивала резервирование и помощь в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. Почти все космические аппараты спроектированы таким образом, чтобы нормальная работа могла осуществляться на меньших (и более экономичных) антеннах DSN (или MSFN). Однако во время чрезвычайной ситуации крайне важно использовать самые большие антенны. Это связано с тем, что неисправный космический корабль может быть вынужден использовать мощность передатчика, меньшую, чем его нормальная, управление ориентацией может препятствовать использованию антенн с высоким коэффициентом усиления, и восстановление каждого бита телеметрии критически важна для оценки работоспособности космического корабля и планирования восстановления.

Известным примером с Аполлона была миссия Аполлон 13, в которой ограниченный заряд батареи и невозможность использовать антенны с высоким коэффициентом усиления космического корабля снизили уровни сигнала ниже возможностей MSFN, и использование установка самых больших антенн DSN (и австралийского радиотелескопа обсерватории Паркс ) сыграла решающую роль в спасении жизней астронавтов.

Две антенны на каждом участке требовались как для резервирования, так и потому, что ширина луча необходимых больших антенн была слишком мала, чтобы охватить как лунный орбитальный аппарат, так и посадочный модуль одновременно. DSN также предоставила несколько более крупных антенн по мере необходимости, в частности, для телевизионных передач с Луны и экстренной связи, такой как Apollo 13.

Из отчета НАСА, описывающего, как DSN и MSFN сотрудничали для Apollo:

Другой Критический шаг в развитии сети Apollo произошел в 1965 году с появлением концепции DSN Wing. Первоначально участие антенн DSN 26m во время миссии Apollo должно было быть ограничено ролью резервного копирования. Это была одна из причин, по которой сайты MSFN 26m были совмещены с сайтами DSN в Голдстоуне, Мадриде и Канберре.

Однако присутствие двух хорошо разделенных космических кораблей во время лунных операций стимулировало переосмысление проблемы слежения и связи. Одна мысль заключалась в том, чтобы добавить двойную радиочастотную систему S-диапазона к каждой из трех 26-метровых антенн MSGN, оставив близлежащие 26-метровые антенны DSN по-прежнему в резервной роли. Однако расчеты показали, что диаграмма направленности антенны 26 м с центром на приземляющемся Лунном модуле будет иметь потери от 9 до 12 дБ на лунном горизонте, что затрудняет отслеживание и сбор данных орбитального модуля командной службы.

Было разумно использовать обе антенны MSFN и DSN одновременно во время важнейших лунных операций. JPL, естественно, не хотела ставить под угрозу цели своих многочисленных беспилотных космических аппаратов, передавая три свои станции DSN на длительные периоды MSFN. Как могли быть достигнуты цели как Аполлона, так и исследования дальнего космоса без строительства третьей 26-метровой антенны на каждом из трех участков и без ущерба для космических научных миссий?

Решение было принято в начале 1965 года на встрече в штаб-квартире НАСА, когда Эберхард Рехтин предложил то, что сейчас известно как «концепция крыла». Подход крыла включает строительство новой секции или «крыла» к главному зданию на каждом из трех задействованных участков DSN. Крыло будет включать диспетчерскую MSFN и необходимое интерфейсное оборудование для выполнения следующего:

1. Разрешить отслеживание и двустороннюю передачу данных с любым космическим кораблем во время лунных операций.
2. Разрешить отслеживание и двустороннюю передачу данных с объединенным космическим кораблем во время полета на Луну.
3. Обеспечение резервной копии пассивного пути совмещенной площадки MSFN (связь между космическим кораблем и наземной радиочастотной связью) космического корабля Apollo во время транслунной и околоземной фаз.

Благодаря такому расположению станцию ​​DSN можно было быстро переключить с миссии в дальний космос на Аполлон и обратно. Персонал GSFC будет управлять оборудованием MSFN полностью независимо от персонала DSN. Полеты в дальний космос не пострадали бы так сильно, как если бы все оборудование и персонал станции были переданы Аполлону на несколько недель.

Подробности этого сотрудничества и операции доступны в двухтомном техническом отчете JPL.

Программа Викинг, в основном Викинг 1 и Викинг 2, вынудила некоторые инновации быть сделано в отношении передачи большой мощности на Марс, приема и ретрансляции телеметрии десантных кораблей.

Корабли «Викинг» в конечном итоге вышли из строя один за другим, а именно:

Программа «Викинг» завершилась 21 мая 1983 года. Чтобы предотвратить неминуемое столкновение с Марсом, орбита космического корабля «Викинг-1» была поднята на орбиту. Воздействие и возможное загрязнение поверхности планеты возможно с 2019 года.

Посадочный модуль «Викинг-1» в декабре 2006 года был обнаружен марсианским разведывательным орбитальным аппаратом примерно в 6 километрах от места его запланированной посадки.

Посадочный модуль Viking 1 совершил посадку в западной части Chryse Planitia («Золотая равнина») в точке 22 ° 41′49 ″ с.ш. 48 ° 13′19 ″ з.д. / 22,697 ° с.ш. 48,222 ° з.д. / 22,697; -48,222 при эталонной высоте -2.69 км относительно опорного эллипсоида с экваториальным радиусом 3397.2 км и плоскостности 0,0105 (22.480 ° N, 47,967 ° W planetographic) в 11:53:06 UT (16: 13 местного марсианского времени). При приземлении осталось примерно 22 кг топлива.

Передача первого изображения поверхности началась через 25 секунд после приземления и заняла около 4 минут. В эти минуты посадочный модуль активировался сам. Он установил антенну с высоким коэффициентом усиления, направленную на Землю для прямой связи, и развернул метеорологическую стрелу с датчиками. В следующие 7 минут был сделан второй снимок панорамной сцены под углом 300 ° (показан ниже).

После 1972 года полетов на Луну не было. был акцент на исследовании глубокого космоса в 1980-х. Была запущена программа модернизации по увеличению размеров антенн длиной 64 метра. С 1982 по 1988 год три 64-метровые антенны подсети Mars в Испании и Австралии были расширены до 70 метров. [4]

Среднее улучшение производительности трех станций DSS подсети составило более 2 дБ. в Х-диапазоне за счет модернизации. Это повышение производительности было жизненно важным для получения научных данных во время успешных встреч «Вояджера» с Ураном и Нептуном, а также на ранних этапах его межзвездной миссии. Модернизация также расширила полезный диапазон связи для Pioneer 10 с примерно 50 астрономических единиц до примерно 60 астрономических единиц в S-диапазоне.

После пролета «Вояджера Урана» DSN продемонстрировала возможность комбинирования сигналов от радиоастрономической антенны в Парксе, Австралия, с сетевыми антеннами в Тидбинбилле. Возможность подсети DSS теперь является стандартной частью работы сети.

Встреча «Вояджера» с Нептуном в августе 1989 г. стала дополнительной проблемой для Сети. Персонал DSN согласовал с несколькими радиообсерваториями возможность объединения сигналов со станциями дальнего космоса.

По договоренности Очень большая матрица (VLA) согласилась оборудовать 27 антенн приемниками X-диапазона для связи с «Вояджером» в Нептуне. Соединение VLA с антенной подсетью Голдстоуна сделало возможным получение значительных научных данных, особенно для получения изображений планеты и ее спутника, а также для обнаружения колец вокруг Нептуна.

DSN также предоставляет экстренные услуги другим космическим агентствам. Например, восстановление миссии Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO) миссии Европейского космического агентства (ЕКА) было бы невозможно без использования крупнейшие объекты DSN. [5]