القطاع الأرضي

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
نظام مركبة فضائية مبسط. تشير الأسهم البرتقالية المتقطعة إلى روابط الراديو؛ وتشير الأسهم السوداء المتصلة إلى روابط الشبكة الأرضية. (تعتمد محطات العملاء عادةً على مسار واحد فقط من المسارات المشار إليها للوصول إلى موارد القطاع الفضائي).
مرافق مختارة للقطاع الأرضي في جميع أنحاء العالم

يتألف القطاع الأرضي من جميع العناصر الأرضية لنظام فضائي يستخدمها المشغلون وموظفو الدعم، وذلك على عكس القطاع الفضائي وقطاع المستخدم. [ 1 ] [ 2 ] : 1 يُمكّن القطاع الأرضي من إدارة المركبة الفضائية، وتوزيع بيانات الحمولة ومعلومات القياس عن بُعد بين الجهات المعنية على الأرض. العناصر الأساسية للقطاع الأرضي هي:

تتواجد هذه العناصر في جميع مهمات الفضاء تقريبًا، سواءً كانت تجارية أو عسكرية أو علمية . وقد تتواجد معًا أو متباعدة جغرافيًا، وقد تُشغّلها جهات مختلفة. [ 5 ] [ 6 ] : 25. ويمكن لبعض هذه العناصر دعم عدة مركبات فضائية في آنٍ واحد. [ 7 ] : 480، 481.

عناصر

محطات أرضية

أطباق الراديو في محطة أرضية تابعة لشركة إمبراتيل في تانغوا ، البرازيل

توفر المحطات الأرضية واجهات لاسلكية بين قطاعي الفضاء والأرض لأغراض القياس عن بُعد والتتبع والتحكم، بالإضافة إلى نقل واستقبال بيانات الحمولة. [ 6 ] : 4 [ 8 ] [ 9 ] وتتولى شبكات التتبع، مثل شبكة ناسا للأرض القريبة وشبكة الفضاء ، إدارة الاتصالات مع مركبات فضائية متعددة من خلال المشاركة الزمنية . [ 3 ] : 22

يمكن مراقبة معدات المحطة الأرضية والتحكم بها عن بُعد . غالبًا ما توجد محطات احتياطية يمكن من خلالها الحفاظ على الاتصال اللاسلكي في حال حدوث مشكلة في المحطة الأرضية الرئيسية تُعيق عملها، كما في حالة الكوارث الطبيعية. تُؤخذ هذه الحالات الطارئة في الاعتبار ضمن خطة استمرارية العمليات .

الإرسال والاستقبال

يجب أولاً استخلاص الإشارات المراد إرسالها إلى المركبة الفضائية من حزم بيانات الشبكة الأرضية ، ثم ترميزها إلى نطاق التردد الأساسي ، وتعديلها [ 10 ] عادةً على تردد حامل متوسط ​​(IF)، قبل تحويلها إلى نطاق التردد الراديوي (RF) المخصص . بعد ذلك، تُضخّم إشارة التردد الراديوي إلى طاقة عالية وتُنقل عبر موجه موجي إلى هوائي للإرسال. في المناخات الباردة، قد يكون من الضروري استخدام سخانات كهربائية أو مراوح هواء ساخن لمنع تراكم الجليد أو الثلج على الطبق المكافئ .

تُمرر الإشارات المُستقبلة (المُنزّلة) عبر مُضخّم منخفض الضوضاء (يُوضع عادةً في محور الهوائي لتقليل المسافة التي تقطعها الإشارة) قبل تحويلها إلى تردد وسيط؛ ويمكن دمج هاتين الوظيفتين في مُحوّل مُنخفض الضوضاء . بعد ذلك، تُزال شفرة إشارة التردد الوسيط ، ويُستخرج تدفق البيانات عبر مزامنة البتات والإطارات وفك التشفير. [ 10 ] تُحدد أخطاء البيانات، مثل تلك الناتجة عن تدهور الإشارة ، وتُصحح حيثما أمكن. [ 10 ] ثم يُقسّم تدفق البيانات المُستخرج إلى حزم أو يُحفظ في ملفات للإرسال عبر الشبكات الأرضية. قد تُخزّن المحطات الأرضية بيانات القياس عن بُعد المُستلمة مؤقتًا لإعادة تشغيلها لاحقًا إلى مراكز التحكم، غالبًا عندما لا يكون عرض نطاق الشبكة الأرضية كافيًا للسماح بالإرسال الفوري لجميع بيانات القياس عن بُعد المُستلمة. وقد تدعم هذه المحطات الشبكات المُتسامحة مع التأخير .

قد تستخدم مركبة فضائية واحدة نطاقات ترددات لاسلكية متعددة لتدفقات بيانات القياس عن بعد والأوامر والحمولة المختلفة ، وذلك اعتمادًا على عرض النطاق الترددي والمتطلبات الأخرى.

التذاكر

يُحدد توقيت مرور المركبة الفضائية، عندما يكون هناك خط رؤية مباشر لها، من خلال موقع المحطات الأرضية، وخصائص مدار المركبة الفضائية أو مسارها . [ 11 ] تستخدم شبكة الفضاء أقمارًا صناعية ثابتة بالنسبة للأرض لتمديد فرص المرور عبر الأفق.

التتبع وتحديد المدى

يجب على المحطات الأرضية تتبع المركبات الفضائية لتوجيه هوائياتها بدقة، مع مراعاة تأثير دوبلر على ترددات الراديو نتيجة لحركة المركبة. كما يمكن للمحطات الأرضية إجراء قياسات المسافة الآلية ؛ حيث يمكن دمج إشارات قياس المسافة مع إشارات الأوامر والقياس عن بُعد. تُرسل بيانات التتبع وقياس المسافة من المحطات الأرضية إلى مركز التحكم مع بيانات القياس عن بُعد للمركبة الفضائية، حيث تُستخدم غالبًا في تحديد المدار ، مما يُسهم بدوره في توجيه الهوائيات.

مراكز التحكم في المهمة

مركز التحكم في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا

تتولى مراكز التحكم بالمهام معالجة وتحليل وتوزيع بيانات القياس عن بُعد للمركبات الفضائية ، وإصدار الأوامر ، وتحميل البيانات ، وتحديث البرامج . بالنسبة للمركبات الفضائية المأهولة، يدير مركز التحكم الاتصالات الصوتية والمرئية مع الطاقم. وقد تكون مراكز التحكم مسؤولة أيضًا عن إدارة التكوين وأرشفة البيانات . [ 7 ] : 483 وكما هو الحال في المحطات الأرضية، غالبًا ما تتوفر مرافق تحكم احتياطية لدعم استمرارية العمليات.

معالجة بيانات القياس عن بعد

تستخدم مراكز التحكم بيانات القياس عن بُعد لتحديد حالة المركبة الفضائية وأنظمتها. [ 3 ] : 485. قد تُنقل بيانات القياس عن بُعد الخاصة بالصيانة والتشخيص والعلوم وغيرها عبر قنوات افتراضية منفصلة . يقوم برنامج التحكم في الطيران بالمعالجة الأولية لبيانات القياس عن بُعد المُستلمة، بما في ذلك:

  1. فصل وتوزيع القنوات الافتراضية، [ 3 ] : 393 إذا لم تتم معالجتها بواسطة المحطة الأرضية
  2. ترتيب الإطارات المستلمة حسب الوقت والتحقق من الفجوات (يمكن ملء الفجوات عن طريق إصدار أمر بإعادة الإرسال)
  3. تفكيك قيم المعاملات، [ 10 ] وربط هذه القيم بأسماء المعاملات المسماة بالرموز التذكيرية
  4. تحويل البيانات الأولية إلى قيم معايرة (هندسية)، وحساب المعلمات المشتقة [ 7 ] : 483
  5. التحقق من الحدود والقيود (والذي قد يُولّد إشعارات تنبيه) [ 3 ] : 479 [ 7 ] : 484
  6. توليد شاشات عرض القياس عن بُعد، والتي قد تتخذ شكل جداول، أو رسوم بيانية للمعلمات مقابل بعضها البعض أو مع مرور الوقت، أو شاشات عرض موجزة (تسمى أحيانًا بالمحاكاة) - وهي في الأساس مخططات تدفق تعرض واجهات المكونات أو الأنظمة الفرعية وحالتها [ 7 ] : 484

يُستعان بقاعدة بيانات المركبة الفضائية، التي توفرها الشركة المصنعة، لتوفير معلومات حول تنسيق إطارات القياس عن بُعد، ومواقع وترددات المعلمات داخل الإطارات، بالإضافة إلى رموزها المختصرة، ومعايراتها، وحدودها الدنيا والعليا. [ 7 ] : 486 قد يتم تحديث محتويات قاعدة البيانات هذه - وخاصة المعايرات والحدود - بشكل دوري للحفاظ على التوافق مع البرامج المثبتة على متن المركبة وإجراءات التشغيل؛ إذ يمكن أن تتغير هذه البيانات خلال فترة المهمة استجابةً للترقيات ، وتدهور الأجهزة في بيئة الفضاء ، والتغييرات في معايير المهمة. [ 12 ] : 399

آمر

تُنسق الأوامر المُرسلة إلى المركبة الفضائية وفقًا لقاعدة بياناتها، ويتم التحقق من صحتها بالرجوع إلى قاعدة البيانات قبل إرسالها عبر محطة أرضية . قد تُصدر الأوامر يدويًا في الوقت الفعلي، أو قد تكون جزءًا من إجراءات آلية أو شبه آلية مُحمّلة بالكامل. [ 7 ] : 485 عادةً، تُؤكد استلام الأوامر بنجاح في بيانات القياس عن بُعد، [ 7 ] : 485 ويُحتفظ بعداد للأوامر على متن المركبة الفضائية وفي المحطة الأرضية لضمان التزامن. في بعض الحالات، قد يتم تنفيذ تحكم ذي حلقة مغلقة . قد تتعلق الأنشطة المُوجّهة مباشرةً بأهداف المهمة، أو قد تكون جزءًا من عمليات الصيانة . قد تُشفّر الأوامر (وبيانات القياس عن بُعد) لمنع الوصول غير المصرح به إلى المركبة الفضائية أو بياناتها.

تُطوَّر إجراءات المركبات الفضائية وتُختَبَر عادةً باستخدام جهاز محاكاة قبل استخدامها مع المركبة الفضائية الفعلية. [ 13 ] : 488

التحليل والدعم

قد تعتمد مراكز التحكم في المهمة على أنظمة فرعية لمعالجة البيانات "غير المتصلة بالإنترنت" (أي غير المتصلة بالإنترنت في الوقت الفعلي ) للتعامل مع المهام التحليلية [ 3 ] : 21 [ 7 ] : 487 مثل:

قد تُخصص مساحات مادية في مركز التحكم لبعض أدوار دعم المهمة، مثل ديناميكيات الطيران والتحكم بالشبكة ، [ 3 ] : 475، أو قد تُدار هذه الأدوار عبر محطات طرفية بعيدة خارج مركز التحكم. ومع ازدياد قوة الحوسبة على متن المركبة الفضائية وتعقيد برمجيات الطيران ، يتجه التوجه نحو إجراء المزيد من معالجة البيانات الآلية على متنها . [ 16 ] : 2-3

التوظيف

قد تُزوَّد مراكز التحكم بموظفين من مراقبي الرحلات بشكل مستمر أو منتظم . ويكون عدد الموظفين في ذروته عادةً خلال المراحل الأولى من المهمة، [ 3 ] : 21 وأثناء الإجراءات والفترات الحرجة ، مثل عندما تكون المركبة الفضائية في حالة كسوف ولا تستطيع توليد الطاقة. [ 16 ] وبشكل متزايد، تُجهَّز مراكز التحكم للمركبات الفضائية غير المأهولة للتشغيل الآلي (بدون إضاءة ) كوسيلة للتحكم في التكاليف. [ 16 ] وعادةً ما يُصدر برنامج التحكم في الرحلات إشعارات بالأحداث الهامة - سواءً المخطط لها أو غير المخطط لها - في المحطة الأرضية أو الفضائية والتي قد تتطلب تدخل المشغل. [ 16 ]

المحطات الطرفية البعيدة

المحطات الطرفية البعيدة هي واجهات على الشبكات الأرضية، منفصلة عن مركز التحكم بالمهمة، ويمكن الوصول إليها من قبل مراقبي الحمولة ، ومحللي القياس عن بُعد، وفرق الأجهزة والعلوم ، وموظفي الدعم ، مثل مديري الأنظمة وفرق تطوير البرمجيات . قد تكون هذه المحطات مخصصة للاستقبال فقط، أو قد تقوم بإرسال البيانات إلى الشبكة الأرضية.

تُسمى المحطات الطرفية التي يستخدمها عملاء الخدمة ، بما في ذلك مزودو خدمات الإنترنت والمستخدمون النهائيون ، مجتمعةً "شريحة المستخدم"، وعادةً ما يتم تمييزها عن شريحة المحطة الأرضية. تتصل محطات المستخدم، بما في ذلك أنظمة التلفزيون الفضائي والهواتف الفضائية، مباشرةً بالمركبات الفضائية، بينما تعتمد أنواع أخرى من محطات المستخدم على شريحة المحطة الأرضية لاستقبال البيانات ونقلها ومعالجتها.

مرافق التكامل والاختبار

تُجمّع المركبات الفضائية وواجهاتها وتُختبر في مرافق التكامل والاختبار . يوفر التكامل والاختبار الخاص بكل مهمة فرصة لاختبار الاتصالات وسلوك كل من المركبة الفضائية والمحطة الأرضية بشكل كامل قبل الإطلاق. [ 7 ] : 480

مرافق الإطلاق

تُنقل المركبات إلى الفضاء عبر منصات الإطلاق ، التي تتولى الجوانب اللوجستية لعمليات إطلاق الصواريخ. وترتبط منصات الإطلاق عادةً بالشبكة الأرضية لنقل بيانات القياس عن بُعد قبل الإطلاق وأثناءه. ويُقال أحيانًا إن مركبة الإطلاق نفسها تُشكّل "جزء نقل"، والذي يُمكن اعتباره منفصلاً عن كلٍّ من الجزأين الأرضي والفضائي. [ 3 ] : 21

الشبكات الأرضية

تتولى الشبكات الأرضية نقل البيانات والاتصالات الصوتية بين مختلف عناصر القطاع الأرضي. [ 7 ] : 481-482 غالبًا ما تجمع هذه الشبكات بين عناصر الشبكات المحلية (LAN) والشبكات الواسعة (WAN) ، والتي قد تكون جهات مختلفة مسؤولة عنها. ويمكن ربط العناصر المتباعدة جغرافيًا عبر خطوط مؤجرة أو شبكات افتراضية خاصة (VPN ) . [ 7 ] : 481 ويستند تصميم الشبكات الأرضية إلى متطلبات الموثوقية وعرض النطاق الترددي والأمان . ويمكن استخدام بروتوكولات الشبكات التي تتحمل التأخير .

تُعدّ الموثوقية عاملاً بالغ الأهمية للأنظمة الحيوية ، حيث يُشكّل وقت التشغيل ومتوسط ​​زمن الاستعادة أهمّ الاعتبارات. وكما هو الحال مع الجوانب الأخرى لنظام المركبة الفضائية، فإنّ وجود مكونات شبكة احتياطية هو الوسيلة الأساسية لتحقيق موثوقية النظام المطلوبة.

تُعدّ الاعتبارات الأمنية بالغة الأهمية لحماية موارد الفضاء والبيانات الحساسة. غالبًا ما تتضمن روابط الشبكة الواسعة (WAN) بروتوكولات تشفير وجدران حماية لتوفير أمن المعلومات والشبكة . كما توفر برامج مكافحة الفيروسات وأنظمة كشف التسلل حماية إضافية لنقاط نهاية الشبكة.

التكاليف

تتفاوت التكاليف المرتبطة بإنشاء وتشغيل محطة أرضية بشكل كبير، [ 17 ] وتعتمد على أساليب المحاسبة. ووفقًا لدراسة أجرتها جامعة دلفت للتكنولوجيا ، [ ملاحظة 1 ] تُساهم المحطة الأرضية بنحو 5% من التكلفة الإجمالية للنظام الفضائي. [ 18 ] ووفقًا لتقرير صادر عن مؤسسة راند حول مهمات المركبات الفضائية الصغيرة التابعة لناسا، تُساهم تكاليف التشغيل وحدها بنسبة 8% من التكلفة الإجمالية لدورة حياة مهمة نموذجية، بينما تُشكل تكاليف التكامل والاختبار 3.2% إضافية، والمرافق الأرضية 2.6%، وهندسة الأنظمة الأرضية 1.1%. [ 19 ] : 10

تشمل العوامل المؤثرة في تكلفة قطاع المحطات الأرضية المتطلبات المفروضة على المرافق والأجهزة والبرمجيات واتصال الشبكة والأمن والموظفين. [ 20 ] وتعتمد تكاليف المحطات الأرضية بشكل خاص على طاقة الإرسال المطلوبة ونطاق (نطاقات) الترددات اللاسلكية ومدى ملاءمة المرافق الموجودة مسبقًا. [ 17 ] : 703 قد تكون مراكز التحكم مؤتمتة بدرجة عالية كوسيلة للتحكم في تكاليف الموظفين. [ 16 ]

  1. ↑ استنادًا إلى نموذج موصوف في كتاب "تحليل وتصميم مهمات الفضاء" ، الطبعة الثالثة، من تأليف جيمس دبليو. ويرتز وويلي جيه. لارسون

صور

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "القطاع الأرضي" . SKY Perfect JSAT Group International. مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 5 نوفمبر 2015 .
  2. 1 2 3 4 إلبرت، بروس (2014). دليل محطة الاتصالات الأرضية وقطاع الاتصالات عبر الأقمار الصناعية ( الطبعة الثانية). دار أرتيك هاوس. ص 141. ISBN   978-1-60807-673-4.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 لي، ويلفريد؛ ويتمان، كلاوس؛ هولمان، ويلي، محرران. (2008). دليل تكنولوجيا الفضاء . وايلي . ISBN 978-0470742419تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 ديسمبر 2015 .
  4. ↑ "القطاع الأرضي لمحطة الفضاء الأوروبية" . وكالة الفضاء الأوروبية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2015 .
  5. ↑ "نظرة عامة على القطاع الأرضي" . وكالة الفضاء الأوروبية . تم الاطلاع عليه في 5 نوفمبر 2015 .
  6. 1 2 راينجر، كلاوس؛ ديدريش، إيرهارد؛ ميكوش ، إبرهارد (أغسطس 2006). "جوانب تصميم الجزء الأرضي لمهام مراقبة الأرض" . مدرسة ألباخ الصيفية. مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 2020-07-09 . تم الاسترجاع 2015/11/06 .
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 شاتيل، فرانك (2011). "القطاع الأرضي". في: فورتيسكيو، بيتر؛ سوينيرد، غراهام؛ ستارك، جون (محررون). هندسة أنظمة المركبات الفضائية (الطبعة الرابعة ). وايلي. الصفحات 467-494 . ISBN   9780470750124.
  8. ↑ "مكونات الترددات الراديوية" . SKY Perfect JSAT Group International . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2015 .
  9. ↑ "محطات أرضية/محطات نقل عن بعد - مركز" . مجموعة سكاي بيرفكت جيه سات الدولية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2015 .
  10. 1 2 3 4 "الفصل العاشر: الاتصالات السلكية واللاسلكية". أساسيات رحلات الفضاء . مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 ديسمبر 2015 .
  11. ↑ وود، لويد (يوليو 2006). مقدمة عن كوكبات الأقمار الصناعية: أنواع المدارات، والاستخدامات، والحقائق ذات الصلة (ملف PDF) . الدورة الصيفية لاتحاد الفضاء الدولي . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 21 فبراير 2019. تم الاطلاع عليه في 17 نوفمبر 2015 .
  12. ↑ شريف، راي إي؛ تاتنال، أدريان آر إل (2011). "الاتصالات". في فورتيسكيو، بيتر؛ سوينيرد، غراهام؛ ستارك، جون (محررون). هندسة أنظمة المركبات الفضائية ( الطبعة الرابعة). وايلي. الصفحات 467-494 . ISBN   9780470750124.
  13. ↑ فيليري، نايجل ب.؛ ستانتون، ديفيد (2011). "القياس عن بُعد، والتحكم، ومعالجة البيانات". في: فورتيسكيو، بيتر؛ سوينيرد، غراهام؛ ستارك، جون (محررون). هندسة أنظمة المركبات الفضائية ( الطبعة الرابعة). وايلي. الصفحات 467-494 . ISBN   9780470750124.
  14. ↑ "الفصل 13: ملاحة المركبات الفضائية". أساسيات رحلات الفضاء . مختبر الدفع النفاث التابع لناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 ديسمبر 2015 .
  15. ^ أوليج ، توماس. سيلماير، فلوريان. شميدهوبر، مايكل، محررون. (2014). عمليات المركبات الفضائية . سبرينغر-فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-7091-1802-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 ديسمبر 2015 .
  16. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ "توظيف العاملين في العمليات" . وثائق أفضل الممارسات في عمليات الأقمار الصناعية . اللجنة الفنية لعمليات ودعم الفضاء، المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية . مؤرشف من الأصل في ٦ أكتوبر ٢٠١٦. تم الاطلاع عليه في ٢٨ ديسمبر ٢٠١٥ .
  17. 1 2 تيرو، سيباستيانو، محرر. (1993). تصميم أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية . سبرينغر ساينس + بيزنس ميديا . ISBN 1461530067تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يناير 2016 .
  18. ↑ زاندبيرجن، بي تي سي، "تكلفة نظام ROM"، تقدير تكلفة عناصر النظام الفضائي، الإصدار 1.02 ، مؤرشف من الأصل (جدول بيانات Excel) في 26 يناير 2016 ، تم استرجاعه في 8 يناير 2016
  19. ↑ دي ويك، أوليفييه؛ دي نوفيل، ريتشارد؛ تشانغ، دارين؛ شايز، ماثيو. "النجاح التقني والفشل الاقتصادي". كوكبات أقمار الاتصالات الصناعية (ملف PDF) . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 9 مايو 2005. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يناير 2016 .
  20. ↑ ماثيوز، أنتوني ج. (25 فبراير 1996). "نموذج تكلفة أرضية (G-COST) للأنظمة العسكرية". مؤتمر AIAA الدولي لأنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية . المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية : 1416-1421 . doi : 10.2514/6.1996-1111 .