Red de espacio profundo de la NASA

La NASA Deep Space Network (DSN) es una red mundial de instalaciones del segmento terrestre de comunicación de naves espaciales estadounidenses, ubicadas en los Estados Unidos (California), España (Madrid), y Australia (Canberra), que apoya 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 apoya misiones seleccionadas en órbita terrestre. DSN es parte del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.

Información general

Deep Space Network Operations Center at JPL, Pasadena (California) in 1993.

DSN actualmente consta de tres instalaciones de comunicaciones del espacio profundo ubicadas de tal manera que una nave espacial distante siempre está a la vista de al menos una estación. Ellos son:

• el Complejo de Comunicaciones de Espacio Profundo de Goldstone35°25′36′′N 116°53′24′′′W / 35.42667°N 116.89000°W / 35.42667; -116.89000 (Goldstone)Fuera de Barstow, California. Para más detalles de la contribución de Goldstone a los primeros días de seguimiento de la sonda espacial, véase Project Space Track;
• el Complejo de Comunicaciones de Espacio Profundo de Madrid40°25′53′′N 4°14′53′′W / 40.43139°N 4.24806°W / 40.43139; -4.24806 (Madrid)), 60 kilómetros (37 millas) al oeste de Madrid, España; y
• el Complejo de Comunicación Espacial Profunda de Canberra (CDSCC) en el Territorio de la Capital de Australia (35°24′05′′S 148°58′54′E / 35.40139°S 148.98167°E / -35.40139; 148.98167 (Canberra)), 40 kilómetros (25 mi) al suroeste de Canberra, Australia cerca de la Reserva Natural de Tidbinbilla.

Cada instalación está situada en un terreno semimontañoso en forma de cuenco para ayudar a protegerse contra la interferencia de radiofrecuencia. La ubicación estratégica de las estaciones permite la observación constante de las naves espaciales a medida que gira la Tierra, lo que ayuda a que el DSN sea el sistema de telecomunicaciones científicas más grande y sensible del mundo.

El 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 recupera las imágenes y la nueva información científica de estos recogen las sondas. Todas las antenas DSN son antenas reflectoras parabólicas orientables de alta ganancia. Las antenas y los sistemas de entrega de datos permiten:

• adquirir datos de telemetría de naves espaciales.
• transmitir comandos a la nave espacial.
• Subir modificaciones de software a la nave espacial.
• pista posición de la nave espacial y velocidad.
• perform Observaciones de Interferometría muy larga.
• mide variaciones en las ondas de radio para experimentos de ciencias radio.
• reunir datos científicos.
• monitorear y controlar el rendimiento de la red.

Otros países y organizaciones también manejan redes de espacio profundo. La DSN opera de acuerdo con los estándares del Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales, al igual que la mayoría de las demás redes del espacio profundo y, por lo tanto, la DSN puede interoperar con las redes de otras agencias espaciales. Estos incluyen la Red de Espacio Profundo Soviética, la Red de Espacio Profundo de China, la Red de Espacio Profundo de India, la Red de Espacio Profundo de Japón y el ESTRACK de la Agencia Espacial Europea. Estas agencias a menudo cooperan para una mejor cobertura de la misión. En particular, DSN tiene un acuerdo de soporte cruzado con ESA que permite el uso mutuo de ambas redes para mayor efectividad y menor riesgo. Además, las instalaciones de radioastronomía, como el Observatorio Parkes o el Telescopio Green Bank, a veces se utilizan para complementar las antenas del DSN.

Centro de control de operaciones

Las antenas de los tres complejos DSN se comunican directamente con el Centro de Operaciones del Espacio Profundo (también conocido como centro de control de operaciones de la Red del Espacio Profundo) ubicado en las instalaciones del JPL en Pasadena, California.

En los primeros años, el centro de control de operaciones no contaba con una instalación permanente. Era una configuración 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 inició la construcción de la instalación permanente, Instalación de Operaciones de Vuelo Espacial (SFOF). La instalación se completó en octubre de 1963 y se inauguró el 14 de mayo de 1964. En la configuración inicial de SFOF, había 31 consolas, 100 cámaras de televisión de circuito cerrado y más de 200 pantallas de televisión para apoyar a Ranger 6 a Ranger 9 y Mariner. 4.

Actualmente, el personal del centro de operaciones de SFOF monitorea y dirige las operaciones, y supervisa la calidad de los datos de telemetría y navegación de las naves espaciales entregados a los usuarios de la red. Además de los complejos DSN y el centro de operaciones, una instalación de comunicaciones terrestres proporciona comunicaciones que conectan los tres complejos con el centro de operaciones en JPL, con los centros de control de vuelos espaciales en los Estados Unidos y en el extranjero, y con científicos de todo el mundo.

Espacio profundo

Vista desde el polo norte de la Tierra, mostrando el campo de vista de las principales ubicaciones de antenas DSN. Una vez que una misión recibe más de 30.000 km (19.000 millas) de la Tierra, siempre está en vista de al menos una de las estaciones.

El seguimiento de vehículos en el espacio profundo es muy diferente al 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 y, por lo tanto, requieren pocas estaciones (el DSN tiene solo tres sitios principales). Sin embargo, estas pocas estaciones requieren antenas enormes, receptores ultrasensibles y transmisores potentes para transmitir y recibir a través de las vastas 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". Los diagramas del JPL indican 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 aparta varias bandas de frecuencia para uso en el espacio profundo y cerca de la Tierra, define "espacio profundo" para comenzar a una distancia de 2 millones de km (1,2 millones de millas) de la superficie de la Tierra. Debido a que la Luna, los puntos de Lagrange Tierra-Luna y los puntos de Lagrange Tierra-Sol L₁ y L₂, están todos a menos de 2 millones de km de la Tierra (las distancias son aquí), se consideran espacio cercano y no pueden utilizar las bandas de espacio profundo de la UIT.

Historia

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 portátiles de seguimiento por radio en Nigeria, Singapur y California para recibir telemetría y trazar la órbita del Explorer lanzado por el Ejército. 1, el primer satélite estadounidense exitoso. La NASA se estableció oficialmente el 1 de octubre de 1958 para consolidar los programas de exploración espacial del Ejército de los EE. UU., la Armada de los EE. UU. y la Fuerza Aérea de los EE. UU. que se desarrollan por separado en una sola organización civil.

El 3 de diciembre de 1958, el JPL fue transferido del Ejército de los EE. UU. a la NASA y se le asignó la responsabilidad del diseño y la ejecución de programas de exploración lunar y planetaria utilizando naves espaciales controladas de forma remota. Poco después de la transferencia, la NASA estableció el concepto de Deep Space Network como un sistema de comunicaciones administrado y operado por separado que acomodaría todas las misiones del espacio profundo, evitando así la necesidad de que cada proyecto de vuelo adquiera y opere su propia red de comunicaciones espaciales especializada. A la DSN se le asignó la responsabilidad de su propia investigación, desarrollo y operación en apoyo de todos sus usuarios. Bajo este concepto, se ha convertido en líder mundial en el desarrollo de receptores de bajo ruido; grandes antenas parabólicas; sistemas de seguimiento, telemetría y mando; procesamiento de señales digitales; y navegación en el espacio profundo. Deep Space Network anunció formalmente su intención de enviar misiones al espacio profundo en la víspera de Navidad de 1963; ha permanecido en operación continua en una capacidad u otra desde entonces.

Las antenas más grandes del DSN a menudo se utilizan durante emergencias de naves espaciales. Casi todas las naves espaciales están diseñadas para que la operación normal se pueda realizar en las antenas más pequeñas (y más económicas) del 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 una potencia de transmisión inferior a la normal, los problemas de control de actitud pueden impedir el uso de antenas de alta ganancia y la recuperación de 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 usar 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 DSN más grandes (y el radiotelescopio del Observatorio Parkes de Australia) fue fundamental para salvar la vida de los astronautas. Si bien Apollo también fue una misión de EE. UU., DSN también brinda este servicio de emergencia a otras agencias espaciales, en un espíritu de cooperación internacional e interinstitucional. Por ejemplo, la recuperación de la misión del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) de la Agencia Espacial Europea (ESA) no hubiera sido posible sin el uso de las mayores instalaciones de DSN.

DSN y el programa Apolo

Aunque normalmente tiene la tarea de rastrear naves espaciales no tripuladas, la Red de espacio profundo (DSN) también contribuyó a la comunicación y el rastreo de las misiones Apolo a la Luna, aunque la responsabilidad principal recayó en la Red de vuelos espaciales tripulados (MSFN). El 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. DSN también suministró algunas antenas más grandes según fuera necesario, en particular para transmisiones de televisión desde la Luna y comunicaciones de emergencia como Apolo 13.

Extracto de un informe de la NASA que describe cómo DSN y MSFN cooperaron para Apollo:

Otro paso crítico en la evolución de la red Apolo llegó en 1965 con el advenimiento del concepto DSN Wing. Originalmente, la participación de antenas DSN 26-m durante una Misión de Apolo se limitaría a un papel de respaldo. Esta fue una razón por la que los sitios de 26 m MSFN fueron colocados 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. Un pensamiento era añadir un sistema de RF de banda dual S a cada una de las tres antenas MSFN de 26 m, dejando las antenas DSN 26-m cercanas todavía en un papel de respaldo. Sin embargo, las calculaciones 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, haciendo difícil el seguimiento y la adquisición de datos del módulo de servicio de mando en órbita, quizás imposible. Tenía sentido utilizar ambas antenas MSFN y DSN simultáneamente durante las operaciones lunares todo-importantes. JPL era naturalmente renuente a comprometer los objetivos de sus muchas naves espaciales no creadas, convirtiendo tres de sus estaciones DSN en el MSFN durante largos períodos. ¿Cómo podrían alcanzarse los objetivos tanto del Apolo como de la exploración espacial profunda sin construir una tercera antena de 26 m en cada uno de los tres sitios o misiones de ciencia planetaria insuficientes?

La solución llegó a principios de 1965 en una reunión en la sede de la NASA, cuando Eberhardt Rechtin sugirió lo que ahora se conoce como el "concepto de moda". El enfoque del ala implica la construcción de una nueva sección o "alma" al edificio principal en cada uno de los tres sitios de DSN involucrados. El ala incluiría una sala de control MSFN y el equipo de interfaz necesario para lograr lo siguiente:

1. Permiso de seguimiento y transferencia de datos bidireccional con nave espacial durante operaciones lunares.
2. Permitir el seguimiento y la transferencia de datos bidireccional con la nave espacial combinada durante el vuelo a la Luna.
3. Proporcionar copia de seguridad para la pista pasiva del sitio MSFN colocado (vínculos espaciales a tierra RF) de la nave espacial Apollo durante las fases trans-lunar y trans-earth.

Con este arreglo, la estación DSN podría cambiarse rápidamente de una misión de espacio profundo a Apolo y volver de nuevo. El personal de la GSFC operaría el equipo de MSFN de forma totalmente independiente del personal de la DSN. Las misiones espaciales profundas no estarían tan comprometidas como si todo el equipo y el personal de la estación fueran entregados a Apolo durante varias semanas.

Los detalles de esta cooperación y operación están disponibles en un informe técnico de dos volúmenes del JPL.

Administración

La red es una instalación de la NASA y es administrada y operada para la NASA por JPL, que forma parte del Instituto de Tecnología de California (Caltech). La Dirección de la 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 mejor conocido por sus deberes relacionados con la Red del Espacio Profundo, la organización también mantiene el Sistema Avanzado de Operaciones de Múltiples Misiones (AMMOS) del JPL y los Servicios de Información e Informática Institucionales (ICIS) del JPL.

Peraton (anteriormente Harris Corporation) tiene un contrato con JPL para las operaciones y el mantenimiento de la DSN. Peraton tiene la responsabilidad de administrar el complejo Goldstone, operar el DSOC y las operaciones, la planificación de la misión, la ingeniería de operaciones y la logística del DSN.

Antenas

Antena de 70 m en Goldstone, California.

Cada complejo consta de al menos cuatro terminales de espacio profundo equipadas con sistemas de recepción ultrasensibles y grandes antenas parabólicas. Hay:

• Tres o más 34 metros (112 pies) Antenas de guía de onda de haz (BWG)
• Una antena de 70 metros (230 pies).

Cinco de las antenas de guía de onda de haz de 34 metros (112 pies) se agregaron al sistema a fines de la década de 1990. Tres estaban ubicados en Goldstone y uno en Canberra y uno en Madrid. Una segunda antena de guía de onda de haz de 34 metros (112 pies) (la sexta de la red) se completó en el complejo de Madrid en 2004.

Para satisfacer las necesidades actuales y futuras de los servicios de comunicación del espacio profundo, se tuvo que construir una serie de nuevas antenas de la estación del espacio profundo en los sitios existentes de la red del espacio profundo. En el Complejo de Comunicación del Espacio Profundo de Canberra, el primero de ellos se completó en octubre de 2014 (DSS35), y el segundo entró en funcionamiento en octubre de 2016 (DSS36). Un nuevo plato de 34 metros (DSS53) entró en funcionamiento en el complejo de Madrid en febrero de 2022.

Para 2025, las antenas de 70 metros en las tres ubicaciones se retirarán del servicio y se reemplazarán con antenas BWG de 34 metros que se instalarán. Todos los sistemas se actualizarán para tener capacidades de enlace ascendente de banda X y capacidades de enlace descendente de banda X y Ka.

Capacidades de procesamiento de señales actuales

The Canberra Deep Space Communication Complex in 2008

Las capacidades generales del DSN no han cambiado sustancialmente desde el comienzo de la misión interestelar Voyager a principios de la década de 1990. Sin embargo, el DSN ha adoptado muchos avances en el procesamiento de señales digitales, arreglos y corrección de errores.

La capacidad de organizar varias antenas se incorporó para mejorar los datos devueltos por el encuentro con Neptuno de la Voyager 2 y se usó ampliamente para la misión Galileo, cuando la antena de alta ganancia de la nave espacial falló. para desplegarse y, como resultado, Galileo se vio obligado a recurrir a operar únicamente con sus antenas de baja ganancia.

La matriz DSN actualmente disponible desde la misión Galileo puede vincular la antena parabólica de 70 metros (230 pies) en el 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 DSN. Por ejemplo, una antena parabólica de 70 metros (230 pies) puede combinarse con una antena parabólica de 34 metros. Para misiones especialmente vitales, como Voyager 2, se pueden agregar a la matriz instalaciones que no sean DSN que normalmente se usan para radioastronomía. En particular, el plato de Canberra de 70 metros (230 pies) se puede colocar con el radiotelescopio Parkes en Australia; y el plato Goldstone de 70 metros se puede combinar con el Very Large Array de antenas en Nuevo México. Además, dos o más antenas parabólicas de 34 metros (112 pies) en una ubicación de DSN suelen colocarse juntas.

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 mayor eficiencia operativa, una sola antena puede recibir señales de varias naves espaciales al mismo tiempo. Esta capacidad se llama Múltiples naves espaciales por apertura, o MSPA. Actualmente, el 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 dos o más portadoras de alta potencia se utilizan simultáneamente, los productos de intermodulación de muy alto orden caen en las bandas del receptor, causando interferencia a las señales recibidas mucho más débiles (25 órdenes de magnitud). Por lo tanto, solo una nave espacial a la vez puede obtener un enlace ascendente, aunque se pueden recibir hasta 4.

Limitaciones y desafíos de la red

antena de 70 m en Robledo de Chavela, Comunidad de Madrid, España

Hay una serie de limitaciones en el DSN actual y una serie de desafíos en el futuro.

• Los nodos de la Red Espacial Profunda están en la Tierra. Por lo tanto, las tasas de transmisión de datos de naves espaciales y sondas espaciales se ven severamente limitadas debido a las distancias de la Tierra. Por ahora puede conectarse con los orbitadores Marte en la Red de Relés Marte para comunicaciones más rápidas y flexibles con naves espaciales y aterrizadores en Marte. La adición de satélites de comunicación dedicados a otros lugares del espacio, para manejar el uso multipartidista y de múltiples misiones, como el Orbiter de Telecomunicaciones Marte cancelado, aumentaría la flexibilidad hacia algún tipo de Internet Interplanetario.
• La necesidad de apoyar las misiones "legadas" que han permanecido en funcionamiento más allá de sus vidas originales, pero siguen regresando datos científicos. Programas como Voyager han estado operando mucho más allá de su fecha de terminación original de la misión. También necesitan algunas de las antenas más grandes.
• Reemplazar los componentes principales puede causar problemas ya que puede dejar una antena fuera de servicio durante meses a la vez.
• Las antenas mayores de 70 m están llegando al final de sus vidas. En algún momento tendrán que ser reemplazados. El candidato líder para la sustitución de 70 m había sido una variedad de platos más pequeños, pero más recientemente se tomó la decisión de ampliar la provisión de antenas BWG de 34 metros (112 pies) en cada complejo a un total de 4. Todas las antenas HEF de 34 metros han sido reemplazadas.
• Se están equiparándose nuevas naves espaciales destinadas a misiones que no estén en órbita geocéntrico para utilizar el servicio de modo de baliza, lo que permite que esas misiones funcionen sin el DSN la mayor parte del tiempo.

DSN y radiociencia

Ilustración de Juno Y Júpiter. Juno está en una órbita polar que lo lleva cerca de Júpiter mientras pasa de norte a sur, recibiendo una vista de ambos polos. Durante el experimento de GS debe apuntar su antena en la Red Espacial Profunda en la Tierra para recoger una señal especial enviada desde DSN.

El DSN forma una parte del experimento de ciencias de la radio incluido en la mayoría de las misiones al espacio profundo, donde los enlaces de radio entre la nave espacial y la Tierra se utilizan para investigar la ciencia planetaria, la física espacial y la física fundamental. Los experimentos incluyen ocultaciones de radio, determinación del campo de gravedad y mecánica celeste, dispersión biestática, experimentos de viento doppler, caracterización de la corona solar y pruebas de física fundamental.

Por ejemplo, Deep Space Network forma un componente del experimento científico de la gravedad en Juno. Esto incluye hardware de comunicación especial en Juno y utiliza su sistema de comunicación. El DSN irradia un enlace ascendente de banda Ka, que es captado por Juno's Sistema de comunicación Ka-Band y luego procesada por una caja de comunicación especial llamada KaTS, y luego esta nueva señal se envía de regreso al DSN. Esto permite determinar la velocidad de la nave espacial a lo largo del tiempo con un nivel de precisión que permite una determinación más precisa del campo de gravedad en el planeta Júpiter.

Otro experimento científico de radio es REX en la nave espacial New Horizons a Plutón-Caronte. REX recibió una señal de la Tierra al ser ocultada por Plutón, para tomar varias medidas de ese sistema de cuerpos.

Enlaces externos y lecturas adicionales