Loading article…
NASA深宇宙ネットワーク（DSN）は、NASAの惑星間探査ミッションを支援する、宇宙船通信地上セグメント施設の世界的ネットワークです。米国（カリフォルニア州）、スペイン（マドリード）、オーストラリア（キャンベラ）に拠点を置いています。また、太陽系および宇宙探査のための電波およびレーダー天文学観測を実施し、一部の地球周回ミッションも支援しています。DSNはNASAジェット推進研究所（JPL）の一部です。
DSNは現在、遠方の宇宙船が常に少なくとも1つのステーションの視界に入るように配置された3つの深宇宙通信施設で構成されています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]それらは以下のとおりです。
各施設は、無線周波数干渉を遮断するために、半山岳の椀状の地形に位置している。[ 4 ]ステーションの戦略的な配置により、地球の自転に伴う宇宙船の継続的な観測が可能となり、DSNは世界最大かつ最も高感度な科学通信システムとなっている。[ 5 ]
DSNは、NASAの太陽系科学調査への貢献を支援しています。NASAの様々な無人惑星間宇宙探査機を誘導および制御する双方向通信リンクを提供し、これらの探査機が収集した画像や新しい科学情報を持ち帰ります。すべてのDSNアンテナは、方向制御可能な高利得放物面反射アンテナです。[ 4 ] アンテナとデータ配信システムにより、次のことが可能になります。[ 2 ]
他の国や組織も深宇宙ネットワークを運用しています。DSNは、他のほとんどの深宇宙ネットワークと同様に、宇宙データシステム諮問委員会の基準に従って運用されているため、他の宇宙機関のネットワークと相互運用できます。これには、ソ連深宇宙ネットワーク、中国深宇宙ネットワーク、インド深宇宙ネットワーク、日本深宇宙ネットワーク、欧州宇宙機関のESTRACKが含まれます。これらの機関は、ミッションのカバー範囲を向上させるために協力することがよくあります。[ 6 ]特に、DSNはESAと相互サポート協定を結んでおり、両ネットワークを相互に使用して効果を高め、リスクを低減しています。[ 7 ]さらに、パークス天文台、グリーンバンク望遠鏡、超大型電波望遠鏡群などの電波天文学施設が、 DSNのアンテナを補完するために使用されることがあります。
3 つの DSN 複合施設のアンテナはすべて、カリフォルニア州パサデナの JPL 施設にある深宇宙運用センター (深宇宙ネットワーク運用管制センターとも呼ばれる) と直接通信します。[ 3 ]
初期の頃、運用管制センターには常設の施設がありませんでした。軌道計算に使用されるコンピューターの近くの広い部屋に多数の机と電話が設置された仮設の施設でした。1961 年 7 月、NASA は常設施設である宇宙飛行運用施設 (SFOF) の建設を開始しました。施設は 1963 年 10 月に完成し、1964 年 5 月 14 日に開設されました。SFOF の初期構成では、レンジャー 6 号からレンジャー 9号、マリナー 4 号をサポートするために、31 台のコンソール、100 台の閉回路テレビ カメラ、200 台以上のテレビ ディスプレイが設置されていました。[ 8 ]
現在、SFOFの運用センター職員は運用を監視および指揮し、ネットワークユーザーに提供される宇宙船のテレメトリおよび航法データの品質を監督しています。DSN複合施設と運用センターに加えて、地上通信施設は、3つの複合施設をJPLの運用センター、米国および海外の宇宙飛行管制センター、世界中の科学者と接続する通信を提供しています。[ 9 ]
深宇宙探査機の追跡は、地球低軌道（LEO）でのミッション追跡とは大きく異なります。深宇宙探査ミッションは、地球表面の大部分から長期間にわたって観測可能であるため、必要な観測局の数は少なくて済みます（深宇宙ネットワーク（DSN）には主要サイトが3つしかありません）。しかし、これらの少数の観測局は、広大な距離にわたって送受信を行うために、巨大なアンテナ、超高感度受信機、そして強力な送信機を必要とします。
深宇宙はいくつかの異なる方法で定義されています。1975年のNASAの報告書によると、DSNは「 地球から太陽系の最も遠い惑星まで約16,000 km（10,000マイル）移動する宇宙船」と通信するように設計されました。[ 10 ] JPLの図[ 11 ]によると、高度30,000 km（19,000マイル）では、宇宙船は常に追跡ステーションのいずれかの視野内に入っています。深宇宙と地球近傍での使用のためにさまざまな周波数帯を割り当てている国際電気通信連合は、「深宇宙」を地球表面から200万km（120万マイル）の距離から始まると定義しています。 [ 12 ]
NASA ディープスペースネットワークは、ITU のすべての深宇宙バンド ( S バンド(2 GHz)、X バンド(8 GHz)、Ka バンド(32 GHz))で送受信できます。周波数の使用は、DSN の運用期間を通じて一般的に上昇してきました。これは、同じサイズのアンテナでより高い周波数の方がゲインが高く、深宇宙バンドはより広いため、より多くのデータを受信できるためです。ただし、より高い周波数では、(宇宙船上で) より正確な指向と (地球上で) より精密なアンテナ面も必要となるため、より高いバンドに移行するには、宇宙船と DSN の両方の改良が必要でした。初期のミッションでは、アップリンクとダウンリンクの両方に S バンドが使用されました。 バイキング(1975 年) は実験として X バンドを使用し、[ 13 ]ボイジャー(1977 年)が運用で初めて使用しました。[ 14 ]同様に、マーズ・オブザーバー（1994 年）は Ka バンド実験を実施し、[ 15 ]マーズ・リコネッサンス・オービター（2005 年）は Ka バンドのデモを実施し、[ 16 ]ケプラー（2009 年）はKa バンドを主要なダウンリンクとして使用した最初のミッションでした。[ 17 ]
しかし、すべての宇宙ミッションがこれらのバンドを使用できるわけではありません。月、地球と月のラグランジュ点、地球と太陽のラグランジュ点L1とL2はすべて地球から200万km以内にあるため（距離はこちら）、近宇宙とみなされ、ITUの深宇宙バンドを使用することはできません。これらの場所で高いデータレートを必要とするミッションは、したがって「近宇宙」Kバンド（27GHz）を使用する必要があります。NASAはこのようなミッションをいくつか持っているため（ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡や月探査機など）、深宇宙ネットワークを拡張してこれらの周波数でも受信できるようにしています（送信はできません）。[ 18 ]
DSNは光深宇宙通信も追求しており、天候の影響を受けやすく、宇宙船の極めて精密な指向が必要となるという欠点はあるものの、より高速な通信速度を実現している。この技術は試作段階で稼働している。[ 19 ]
DSNの前身は1958年1月に設立され、当時アメリカ陸軍と契約していたJPLは、アメリカ初の成功した人工衛星である陸軍打ち上げのエクスプローラー1号のテレメトリーを受信して軌道をプロットするために、ナイジェリア、シンガポール、カリフォルニアに移動式無線追跡局を配備した。[ 20 ] NASAは、アメリカ陸軍、アメリカ海軍、アメリカ空軍が別々に開発していた宇宙探査プログラムを1つの民間組織に統合するために、1958年10月1日に正式に設立された。 [ 21 ]
1958年12月3日、JPLはアメリカ陸軍からNASAに移管され、遠隔操作宇宙船を用いた月面および惑星探査プログラムの設計と実行の責任を負った。移管後まもなく、NASAは深宇宙ネットワーク（DSN）の概念を確立し、すべての深宇宙ミッションに対応できる独立した管理・運用通信システムとして、各飛行プロジェクトが独自の専用宇宙通信ネットワークを取得・運用する必要性を回避した。DSNは、すべてのユーザーを支援するための独自の研究、開発、運用の責任を負った。この概念の下、DSNは低雑音受信機、大型パラボラアンテナ、追跡、テレメトリ、コマンドシステム、デジタル信号処理、深宇宙航法の開発において世界をリードする存在となった。深宇宙ネットワークは1963年のクリスマスイブに深宇宙へのミッションの実施を正式に発表し、それ以来、何らかの形で継続的に運用されている。[ 22 ]
DSNの大型アンテナは、宇宙船の緊急事態発生時にしばしば使用されます。ほぼすべての宇宙船は、通常運用時にはDSNの小型（かつ経済的な）アンテナで運用できるよう設計されていますが、緊急時には大型アンテナの使用が不可欠です。これは、トラブルが発生した宇宙船は通常よりも低い送信出力を使用せざるを得ない場合があり、姿勢制御の問題で高利得アンテナが使用できなくなる可能性があり、テレメトリデータの全量を回収することが宇宙船の状態を評価し、復旧計画を立てる上で極めて重要となるためです。最も有名な例はアポロ13号ミッションです。このミッションでは、バッテリー電力の不足と宇宙船の高利得アンテナが使用できなかったため、信号レベルが有人宇宙飛行ネットワークの能力を下回り、DSNの大型アンテナ（およびオーストラリアのパークス天文台の電波望遠鏡）の使用が宇宙飛行士の命を救う上で極めて重要となりました。アポロ計画はアメリカのミッションでしたが、DSNは機関間および国際協力の精神に基づき、他の宇宙機関にもこの緊急サービスを提供しています。例えば、欧州宇宙機関（ESA）の太陽・太陽圏観測衛星（SOHO）ミッションの復旧は、最大規模の深層衛星（DSN）施設の利用なしには不可能だっただろう。
通常は無人宇宙船の追跡を任務とする深宇宙ネットワーク（DSN）は、アポロ計画の月面ミッションの通信と追跡にも貢献したが、主な責任は有人宇宙飛行ネットワーク（MSFN）が担っていた。DSNは月面通信用にMSFN局を設計し、各MSFNサイトに2つ目のアンテナを提供した（MSFNサイトがDSNサイトの近くにあったのはまさにこのためである）。各サイトに2つのアンテナが必要だったのは、冗長性のためと、必要な大型アンテナのビーム幅が小さすぎて月周回機と着陸機の両方を同時にカバーできなかったためである。DSNは必要に応じて、特に月面からのテレビ放送やアポロ13号のような緊急通信のために、より大型のアンテナも提供した。[ 23 ]
アポロ計画においてDSNとMSFNがどのように協力したかを説明したNASAの報告書からの抜粋：[ 24 ]
アポロネットワークの進化におけるもう一つの重要なステップは、1965年にDSNウィング構想が登場したことでした。当初、アポロミッションにおけるDSN 26mアンテナの参加はバックアップの役割に限定される予定でした。これが、MSFN 26mサイトがゴールドストーン、マドリード、キャンベラのDSNサイトと同じ場所に設置された理由の一つです。しかし、月面活動中に2機の宇宙船が十分に離れた場所に存在することで、追跡と通信の問題を再考する必要が生じました。一つの案は、3基の26m MSFNアンテナそれぞれにデュアルSバンドRFシステムを追加し、近くのDSN 26mアンテナはバックアップの役割にとどめるというものでした。しかし、計算の結果、着陸した月着陸船を中心とした26mアンテナパターンでは、月の地平線で9～12dBの損失が発生し、周回中の司令船・機械船の追跡とデータ取得が困難、あるいは不可能になることが判明しました。極めて重要な月探査活動において、MSFNアンテナとDSNアンテナを同時に使用することは理にかなっていた。JPLは、多数の無人宇宙船の目標を損なうような形で、DSNステーション3基を長期間MSFNに転用することには当然ながら消極的だった。3つの観測地点それぞれに26メートル級アンテナを新たに建設したり、惑星科学ミッションの予算を削減したりすることなく、アポロ計画と深宇宙探査の両方の目標を達成することは可能だったのだろうか。
解決策は1965年初頭、NASA本部での会議でエバーハルト・レヒティンが提案したもので、これが現在「ウィング構想」として知られている。ウィング構想とは、関係する3つのDSNサイトのそれぞれにおいて、メインビルディングに新しいセクション、すなわち「ウィング」を建設するというものである。このウィングにはMSFN制御室と、以下の機能を実現するために必要なインターフェース機器が設置される。
- 月面活動中、いずれの宇宙船とも追跡および双方向データ転送を許可する。
- 月への飛行中、複合宇宙船との追跡および双方向データ転送を許可する。
- アポロ宇宙船の月遷移および地球遷移段階における、併設されたMSFNサイトのパッシブトラック（宇宙船と地上間のRFリンク）のバックアップを提供する。
この体制により、DSNステーションは深宇宙ミッションからアポロ計画へ、そして再び深宇宙ミッションへと迅速に切り替えることが可能となる。GSFCの職員は、DSNの職員とは完全に独立してMSFNの機器を操作する。ステーションの機器と人員全体を数週間アポロ計画に引き渡す場合と比べて、深宇宙ミッションへの影響ははるかに少なくなるだろう。
このネットワークはNASAの施設であり、カリフォルニア工科大学（Caltech）の一部であるJPLがNASAのために管理・運営しています。惑星間ネットワーク局（IND）はJPL内でこのプログラムを管理し、その開発と運用を担当しています。INDは、電気通信、惑星間航行、情報システム、情報技術、コンピューティング、ソフトウェアエンジニアリング、その他の関連技術に関するすべての事項について、JPLの中心的役割を担っています。INDは深宇宙ネットワークに関する業務で最もよく知られていますが、JPL先進マルチミッション運用システム（AMMOS）とJPL機関コンピューティングおよび情報サービス（ICIS）も維持管理しています。[ 27 ] [ 28 ]
スペインとオーストラリアの施設は、両国の政府の科学機関と共同で所有および運営されています。オーストラリアでは、「オーストラリア連邦政府の法定機関である連邦科学産業研究機構（CSIRO）が、キャンベラ深宇宙通信複合施設の日常的な運用、エンジニアリング、および保守活動を管理するために、CSIRO天文学および宇宙科学部門を設立しました」。[ 29 ]ティドビンビラのスタッフのほとんどはオーストラリア政府の職員です。土地と建物はオーストラリア政府が所有しています。NASAは資金の大部分を提供し、支払った動産（パラボラアンテナや電子機器など）を所有し、アンテナの向きを決定することができます。[ 30 ] 同様に、スペインでは、「スペイン国防省の一部である国立航空宇宙技術研究所（INTA）の完全子会社であるスペイン防衛システム工学研究所（ISDEFE）が、マドリード深宇宙通信複合施設（マドリード）を運営および維持している」。[ 29 ]
Peraton（旧Harris Corporation）は、DSNの運用と保守に関してJPLと契約を結んでいます。Peratonは、ゴールドストーン複合施設の管理、DSOCの運用、DSNの運用、ミッション計画、運用エンジニアリング、およびロジスティクスを担当しています。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]
各複合施設は、超高感度受信システムと大型パラボラアンテナを備えた少なくとも4つの深宇宙端末で構成されています。
34メートル（112フィート）のビーム導波管アンテナのうち5基は、1990年代後半にシステムに追加されました。3基はゴールドストーンに、残りの2基はキャンベラとマドリードにそれぞれ設置されました。2基目の34メートル（112フィート）ビーム導波管アンテナ（ネットワーク全体で6基目）は、2004年にマドリードの施設に完成しました。
深宇宙通信サービスの現在および将来のニーズを満たすために、既存の深宇宙ネットワークサイトに多数の新しい深宇宙ステーションアンテナを建設する必要がありました。キャンベラ深宇宙通信複合施設では、これらの最初のアンテナが2014年10月に完成し（DSS35）、2番目が2016年10月に運用を開始しました（DSS36）。[ 34 ]マドリード複合施設では、新しい34メートルパラボラアンテナ（DSS53）が2022年2月に運用を開始しました。[ 35 ]
70メートルアンテナは老朽化しており、最新のBWGアンテナよりも維持管理が困難です。そのため、2012年にNASAは3基すべてを廃止し、アレイ化された34メートルBWGアンテナに置き換える計画を発表しました。これらの新しいアンテナはそれぞれ、Xバンドアップリンク機能とXバンドおよびKaバンドダウンリンク機能を備えるようにアップグレードされる予定でした。[ 36 ] しかし、2021年までにNASAは代わりに、すべての70メートルアンテナを完全に改修することを決定し、一度に数か月間オフラインにする必要が生じました。これらの改修されたアンテナは、今後数十年にわたって使用されることが期待されていました。[ 37 ]
DSNの基本的な機能は、1990年代初頭のボイジャー星間探査ミッション開始以来、大きく変わっていません。しかし、デジタル信号処理、アレイ化、誤り訂正における多くの進歩がDSNに採用されています。
複数のアンテナを配列する機能は、ボイジャー2号の海王星探査で得られたデータを改善するために組み込まれ、ガリレオ探査機の高利得アンテナが展開できず、その結果ガリレオが低利得アンテナのみで運用せざるを得なくなった際に、ガリレオ探査機ミッションで広く使用された。 [ 38 ]
ガリレオ探査機以来利用可能なDSNアレイは、カリフォルニア州ゴールドストーンにある深宇宙ネットワーク複合施設の70メートル（230フィート）パラボラアンテナと、オーストラリアにある同型のアンテナ、さらにキャンベラ複合施設にある2基の34メートル（112フィート）アンテナを接続できる。カリフォルニアとオーストラリアの施設は、ガリレオ探査機との通信を受信するために同時に使用された。
3 つの DSN 拠点内でのアンテナのアレイ化も使用されています。たとえば、70 メートル (230フィート)のパラボラアンテナを 34 メートルのパラボラアンテナとアレイ化することができます。ボイジャー 2 号のような特に重要なミッションでは、電波天文学で通常使用される DSN 以外の施設をアレイに追加することができます。[ 39 ] 特に、キャンベラの70 メートル (230フィート)のパラボラアンテナはオーストラリアのパークス電波望遠鏡とアレイ化でき、ゴールドストーンの 70 メートルのパラボラアンテナはニューメキシコの超大型アンテナアレイとアレイ化できます。[ 40 ]また、1 つの DSN 拠点で 2 つ以上の34 メートル (112フィート)のパラボラアンテナを一緒にアレイ化することもよくあります。
すべての観測局は、各施設に設置された中央信号処理センターから遠隔操作されます。これらのセンターには、アンテナの方向制御、テレメトリデータの受信・処理、コマンドの送信、宇宙機の航行データの生成を行う電子サブシステムが収容されています。データは各施設で処理された後、最新の通信ネットワークを介してJPLに送信され、さらなる処理を経て科学チームに配信されます。
特に火星では、アンテナのビーム幅内に多数の宇宙船が存在することがよくあります。運用効率を高めるため、1つのアンテナで複数の宇宙船からの信号を同時に受信できます。この機能は、Multiple Spacecraft Per Aperture（MSPA）と呼ばれます。現在、DSNは最大4つの宇宙船の信号を同時に受信できます（MSPA-4）。ただし、アップリンクのために開口部を共有することは現在できません。2つ以上の高出力キャリアを同時に使用すると、非常に高次の相互変調積が受信帯域に現れ、はるかに弱い（25桁）受信信号に干渉を引き起こします。[ 41 ] そのため、最大4つの宇宙船を受信できますが、一度にアップリンクを取得できるのは1つの宇宙船だけです。
現在のDSNには多くの制約があり、今後の課題も数多く存在する。これらのほとんどは、NASA監察総監室が実施した2023年のNASA深宇宙ネットワーク監査報告書に概説されている。[ 42 ] 主な結論は以下のとおりである。
他にも問題点が指摘されている。
DSNの容量制限のため、地球中心軌道を超えるミッションを目的とした新しい宇宙船は、ビーコンモードサービスを利用できるように装備されており、これにより、そのようなミッションはほとんどの場合DSNなしで運用できます。[ 47 ]さらに、NASAは、月探査とアルテミス計画のミッションのニーズの多くをDSNからオフロードするために、月探査地上サイト のネットワークを構築しています。
DSNは、ほとんどの深宇宙ミッションに含まれる電波科学実験の一部であり、宇宙船と地球間の無線リンクを使用して惑星科学、宇宙物理学、基礎物理学を研究します。実験には、電波掩蔽、重力場の決定と天体力学、バイスタティック散乱、ドップラー風実験、太陽コロナの特性評価、基礎物理学のテストが含まれます。[ 48 ]
例えば、深宇宙ネットワークは、ジュノーの重力科学実験の構成要素の一つです。これには、ジュノーに搭載された特別な通信ハードウェアと通信システムが含まれます。[ 49 ] DSNはKaバンドのアップリンクを発信し、ジュノーのKaバンド通信システムで受信され、KaTSと呼ばれる特別な通信ボックスで処理された後、この新しい信号がDSNに送り返されます。[ 49 ]これにより、宇宙船の時間の経過に伴う速度を、木星の重力場をより正確に決定できるレベルの精度で決定することができます。[ 49 ] [ 50 ]
もう一つの電波科学実験は、冥王星・カロン探査機ニューホライズンズに搭載されたREXです。REXは、冥王星によって地球が掩蔽された際に地球からの信号を受信し、その天体系の様々な測定を行いました。
この記事は、R. Corliss, William (1974 年 6 月)のパブリック ドメイン資料を組み込んでいます。NASA 技術報告書 CR 140390、「宇宙追跡およびデータ取得ネットワーク (STADAN)、有人宇宙飛行ネットワーク (MSFN)、および NASA 通信ネットワーク (NASCOM) の歴史(PDF)」。NASA。hdl : 2060/19750002909。2022年 3 月 3 日にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
{{cite press release}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)この記事には、パブリックドメインにあるこの情報源からのテキストが含まれています。