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美国国家航空航天局(NASA)地面跟踪网络简介

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美国国家航空航天局(NASA),又称美国宇航局、美国太空总署,是美国联邦政府的行政性科研机构,负责制定、实施美国的太空计划,并开展航空科学暨太空科学的研究。NASA是目前世界上最权威的航空航天科研机构,作为美国航天事业的主导者,一直以来备受瞩目。

2020年,NASA共进行了8次航天发射活动,其中包括4次国际空间站货运、2次龙飞船载人航天发射、太阳轨道器(SolO)探测器和毅力号火星车的发射。根据NASA官方网站显示,NASA在2021年的主要航天任务计划包括以下几个方面:

  • 发射詹姆斯·韦伯太空望远镜;

  • 毅力号火星车实现火星着陆;

  • 国际空间站货运补给和载人航天活动将继续进行,保证国际空间站的正常运行;

  • 阿尔忒弥斯计划,发射地月空间自主定位系统技术运行与导航实验(CAPSTONE)立方体卫星,对月球近直线晕轨道(NRHO)进行早期验证。

NASA的这些航天任务均离不开地面跟踪网络的支持,本文将简要介绍NASA现有的全球地面站网络布局及运营情况,以期为国内航天的发展提供一定的参考和借鉴。

NASA的地面跟踪网络可根据用途分为三大网络,分别为近地网络、深空网络、天基网络。其中近地网络主要为近地轨道地球科学研究航天器提供支持,深空网络主要用于深空探测任务,天基网络主要服务于国际空间站货运补给和载人航天任务。2016年至2020年NASA三大网络的运营预算高达3.5亿美金,其中深空网络运营所占的比重最高,占到50%以上,天基网络约占35%,近地网络约占13%。

PART1 近地网络

 

NASA的近地网络主要提供遥测、遥控、跟踪和数据通信服务,为低地球轨道(LEO)、地球同步轨道(GEO)、高椭圆轨道(HEO)、月球轨道卫星发射早期阶段提供支持。

近地网络支持的任务既包括NASA自身的任务,也为美国和其他国家的政府机构和商业公司提供地面服务。根据2015年公布的报价,NASA自有地面站的服务价格为490美金/圈,每次任务的准备费用另外计算。该近地网络由NASA的戈达德空间研究所负责运营。

近地网络的初身可追溯到19世纪60年代,NASA为了满足水星探测、阿波罗探月计划等太空任务的需求,建立了最初的地面网络;19世纪90年代,随着低轨科学试验卫星数量的增加,NASA进一步扩大了地面网络的覆盖范围,发展为今天的近地网络。

近地网络的具体分布如图1所示。该网络主要由NASA的自有地面站和合作地面站组成,主要的合作地面站包括瑞典SSC公司和挪威KSAT公司的地面站,图中蓝色为自有地面站,共有6个站址,主要分布于美国本土和南极洲;绿色为合作地面站,共有12个站址,分布于各大洲。

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该近地网络支持的任务具体包括NASA的SMAP任务(发射于2015年,主要观测地球表层土壤中的水量)、Aura计划(发射于2004年,测量大气中臭氧,气溶胶和关键气体)、Aqua计划(发射于2002年,主要观测地球水循环信息)等40多个近地轨道卫星的在轨服务,以及美国国家海洋和大气管理局NOAA的国家环境气象卫星数据和信息服务项目下的卫星发射阶段和应急支持。

根据官方统计,2014年该近地网络共运行了47000圈次,2015年运行了59000圈次。2015年,该近地网络每天平均服务了150圈次,其中SSC公司和KSAT公司的地面站使用量占总圈次的30%。2020年,商业地面站和高校的地面站使用率占低轨网络通信和跟踪总任务量的67%,NASA计划进一步提高商业和高校地面站的使用率。

PART2深空网络

深空网的前身可追溯到1958年,喷气推进实验室与美国陆军签订了合同,在尼日利亚、新加坡、美国加利福尼亚部署了便携式无线电跟踪站,为美国首颗卫星Explorer 1提供遥测支持。1958年12月3日,喷气推进实验室从美国陆军转移到NASA,负责使用机器人航天器设计并执行月球和行星探索计划。此后不久,NASA明确了深空网的概念,将其作为单独管理和运营的通信设施,可支持所有深空任务,打破了原有的每个项目拥有一个专用通信网络的运作模式,深空网络依然由喷气推进实验室负责运营。

深空网络(DSN)主要支持深空探测任务,包括NASA自身的任务和日本航天研究开发机构(JAXA)和欧空局(ESA)等其他国家航天局的任务。深空网络由三个地面站组成,分别位于美国加利福尼亚、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉,每个地面站设有四套天线,分别是1套70米天线,3套34米天线,主要工作频率为S、X频段。为了确保航天器始终与其中一个地面站保持通信,三个地面站的经度位置均匀分布,位于西班牙和澳大利亚的深空站分别由西班牙航天局(INTA)和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)提供本地技术支持。除了支持深空探测任务以外,深空网络还可以为近地网络和太空网络提供备份。

 此外,NASA将为阿尔忒弥斯探月计划建设由18米口径天线组成的天线网络,以满足未来持续月球探测产生的通信和跟踪服务需求。近地网络中的美国弗罗里达州肯尼迪航天中心地面站、美国弗罗里达Ponce de Leon站及位于百慕大的跟踪站将为阿尔忒弥斯探月计划提供发射早期的测控支持;深空网络中的34米天线经过升级后将为阿尔忒弥斯系统提供持续的高速率指挥和遥测服务。

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PART3天基网络

天基网络主要包含跟踪与数据中继卫星系统(TDRS)和地面终端系统。天基网络的主要目的是通过位于地球同步轨道的天基中继卫星系统,增加与航天器通信的时间和传输到地球的数据量,主要为国际空间站货运补给、载人航天任务、哈勃空间望远镜任务提供通信支持。天基网络由NASA的戈达德空间研究所负责运营,2021财政年度天基网络的服务价格为单次接入94美金/分钟,多次接入接收9美金/分钟,多次接入转发15美金/分钟,对于列入“商业航天发射法”名单的商业航天公司提供3-4折优惠服务价格。

 数据中继卫星系统(TDRS)目前由10颗在轨卫星组成,第一颗卫星于1988年发射入轨,最近一次发射于2017年。其中3号、5号、6号、7号卫星为第一代,8号至10号卫星为第二代,11号至13号卫星为第三代。第三代与第二代卫星的主要区别在于波束成型,第二代卫星的多路波束成型在星上完成,第三代卫星则将这一功能转移到了地面,使得规划外的S波段直连式存储(DAS)成为可能。

该卫星系统预计运行到2030年左右,NASA计划将中继卫星系统的更新换代和运营工作交付给商业公司,从而获得商业性的卫星中继服务。2019年,NASA与8个商业公司签署了商业中继网络技术研究合同,合同总额达到400万美金。此外,根据航天新闻12月5日报道,NASA计划建设由三颗赤道轨道卫星组成的商业通信中继星座,服务于未来包括“火星冰测绘者”任务在内的火星探测通信任务。

天基网络的地面终端系统位于美国新墨西哥白沙和西太平洋美属关岛。白沙地面站有5套19米口径天线;关岛地面站位于太平洋美海军计算机和电信区总站(NCTAMS),设有一套11米口径天线和一套4.5米天线,可支持S频段和Ku频段。

为了升级老旧设备的性能,满足现代通信技术要求,NASA提出了天基网络地面部分维护项目(SGSS),由美国通用动力公司(General Dynamics)担任总承包,完成原有地面站软硬件设施的升级改造和测试。该项目历时多年,项目预算多次上调,根据政府问责局(GAO)2020年4月份的一项评估报告,该项目分别于2019年12月和2020年1月在白沙地面站完成了测试审查,审查委员会称该项目取得了一定进展,但仍然存在一定风险,站址存在一些射频干扰,正式的第一次运行审查将于2021年6月进行。

总的来说,NASA的3个核心网络对其航天任务的开展起到不可或缺的关键作用,在这些地面跟踪网络的建设、运营、升级和改造过程中美国的商业航天公司充分发挥了自身优势,积极参与国家队的航天任务,形成了国家部门与商业公司相辅相成的合作关系。此外,在全球地面站网络的运营方面,NASA充分利用与欧洲、日本、俄罗斯、阿联酋、南非等其他国家航天局之间的合作关系,在地面站共享、任务支持、设备托管等方面开展了全方位的深入合作。尽管中美两国所处的环境有所不同,NASA的发展模式在中国不完全具有可复制性,但美国作为世界航天发展的先驱,对于模式的探索有着丰富的经验和独特的创新,可以为国内航天的发展提供一些新的启发。

(声明:本文部分内容摘自NASA官网及其它公开渠道)

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