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地上セグメントは、宇宙セグメントやユーザーセグメントとは対照的に、オペレータやサポート要員が使用する宇宙 システムの地上ベースのすべての要素で構成されます。 [1] [2] ：1 地上セグメントは、宇宙船の管理、および地上の関係者間でのペイロードデータとテレメトリの配布を可能にします。地上セグメントの主な要素は次のとおりです。
- 地上局（地球局）は宇宙船との無線インターフェースを提供する[2] ：142
- ミッションコントロール（または運用）センター、宇宙船の管理を行う場所[3] : 20
- サポート担当者が使用するリモート端末[2] ：142
- 宇宙船の統合および試験施設
- 打ち上げ施設[3] : 21
- 地上ネットワークは、他の地上要素間の通信を可能にする[2] ：142 [4]
これらの要素は、商業、軍事、科学を問わず、ほぼすべての宇宙ミッションに存在します。それらは地理的に一緒に配置されている場合もあれば、離れている場合もあります。また、異なる当事者によって運用される場合もあります。[5] [6] : 25 一部の要素は、複数の宇宙船を同時にサポートする場合があります。[7] : 480, 481
要素
地上局
地上局は、テレメトリ、追跡、コマンド（TT&C）やペイロードデータの送受信のために、宇宙セグメントと地上セグメント間の無線インターフェースを提供します。 [6] : 4 [8] [9] NASAの近地球ネットワークや宇宙ネットワークなどの追跡ネットワークは、タイムシェアリングを通じて複数の宇宙船との通信を処理します。[3] : 22
地上局の機器は、遠隔で監視および制御される場合があります。自然災害など、主要な地上局に問題が発生して運用不能になった場合でも、無線通信を維持できるバックアップ局が存在することがよくあります。このような不測の事態は、運用継続計画で考慮されます。
送信と受信
宇宙船にアップリンクされる信号は、まず地上ネットワークパケットから抽出され、ベースバンドにエンコードされ、変調され、[10]通常は中間周波数（IF）キャリアに乗せられ、割り当てられた無線周波数（RF）帯域にアップコンバートされる。RF信号は次に高出力に増幅され、導波管を介してアンテナに運ばれ、送信される。寒冷な気候では、パラボラアンテナに氷や雪が積もるのを防ぐために、電気ヒーターや温風送風機が必要になることがある。
受信（「ダウンリンク」）信号は、低ノイズアンプ（信号の移動距離を最短にするためにアンテナハブ内に配置されていることが多い）を通過してから、IFにダウンコンバートされます。これらの2つの機能は、低ノイズブロックダウンコンバータで組み合わせることもできます。次に、IF信号が復調され、ビットおよびフレームの同期とデコードによってデータストリームが抽出されます。[10]信号劣化などによって発生するデータエラーは識別され、可能な場合は修正されます。[10]抽出されたデータストリームは、地上ネットワークでの送信のためにパケット化またはファイルに保存されます。地上局は、受信したテレメトリを一時的に保存し、後でコントロールセンターで再生できるようにすることがあります。これは、地上ネットワークの帯域幅が、受信したすべてのテレメトリをリアルタイムで送信するのに十分でない場合によく行われます。地上局は、遅延を許容するネットワークをサポートする場合があります。
単一の宇宙船は、帯域幅やその他の要件に応じて、 さまざまなテレメトリ、コマンド、およびペイロード データストリームに複数の RF 帯域を使用する場合があります。
パス
宇宙船への視線が存在する場合の通過のタイミングは、地上局の位置と宇宙船の軌道または軌跡の特性によって決まります。[11]スペースネットワークは、静止 中継衛星を使用して、地平線を越えた通過の機会を拡大します。
追跡と測距
地上局は、アンテナを正しく向けるために宇宙船を追跡する必要があり、宇宙船の動きによる RF 周波数のドップラーシフトを考慮する必要があります。地上局は自動測距も実行できます。測距トーンはコマンド信号やテレメトリ信号と多重化される場合があります。地上局の追跡および測距データは、宇宙船のテレメトリとともにコントロール センターに渡され、軌道決定によく使用されます。
ミッションコントロールセンター
ミッションコントロールセンターは、宇宙船のテレメトリを処理、分析、配布し、宇宙船にコマンド、データのアップロード、ソフトウェアの更新を発行します。有人宇宙船の場合、ミッションコントロールは乗組員との音声およびビデオ通信を管理します。コントロールセンターは、構成管理とデータのアーカイブも担当する場合があります。[7] ：483 地上局と同様に、運用の継続性をサポートするためにバックアップ制御施設が利用できる場合がよくあります。
テレメトリ処理
管制センターはテレメトリを使用して宇宙船とそのシステムの状態を判断します。[3] : 485 ハウスキーピング、診断、科学、およびその他の種類のテレメトリは、別々の仮想チャネルで伝送される場合があります。飛行制御ソフトウェアは、受信したテレメトリの初期処理を実行します。これには次のものが含まれます。
- 仮想チャネルの分離と分配[3] : 393
- 受信フレームの時間順序付けとギャップチェック（ギャップは再送信を命令することで埋められる）
- パラメータ値の交換[10]と、これらの値とパラメータ名との関連付けは、ニーモニックと呼ばれる。
- 生データから校正値（工学値）への変換、および派生パラメータの計算[7] : 483
- 制限と制約のチェック（警告通知が生成される場合がある）[3] : 479 [7] : 484
- テレメトリ表示の生成。これは、表、パラメータ同士のプロット、または時間経過のプロット、またはシノプティック表示（ミミックと呼ばれることもある）の形をとることがあります。基本的には、コンポーネントまたはサブシステムのインターフェースとその状態を示すフロー図です[7] : 484
宇宙船メーカーが提供する宇宙船データベースは、テレメトリフレームのフォーマット、フレーム内のパラメータの位置と周波数、および関連するニーモニック、キャリブレーション、ソフトリミットとハードリミットに関する情報を提供するために使用されます。 [7] : 486 このデータベースの内容、特にキャリブレーションとリミットは、搭載ソフトウェアと操作手順との一貫性を保つために定期的に更新される場合があります。これらは、アップグレード、宇宙環境でのハードウェアの劣化、ミッションパラメータの変更に応じて、ミッションの期間中に変更される可能性があります。 [12] : 399
指揮
宇宙船に送信されるコマンドは、宇宙船のデータベースに従ってフォーマットされ、地上局を介して送信される前にデータベースに対して検証されます。コマンドは、リアルタイムで手動で発行される場合もあれば、全体がアップロードされる自動または半自動の手順の一部である場合もあります。[7] : 485 通常、宇宙船が正常に受信したコマンドはテレメトリで確認応答され、[7] : 485 同期を確実にするために、宇宙船と地上でコマンドカウンターが維持されます。場合によっては、閉ループ制御が実行されることもあります。コマンドされたアクティビティは、ミッションの目的に直接関係する場合もあれば、ハウスキーピングの一部である場合もあります。コマンド（およびテレメトリ）は、宇宙船またはそのデータへの不正アクセスを防ぐために 暗号化される場合があります。
宇宙船の手順は通常、実際の宇宙船で使用する前に宇宙船シミュレータで開発され、テストされます。 [13] : 488
分析とサポート
ミッションコントロールセンターは、次のような 分析タスクを処理するために「オフライン」（つまり、非リアルタイム）データ処理サブシステムに依存する場合があります。 [3] : 21 [7] : 487
- 軌道決定と操縦計画[14]
- 連結評価と衝突回避計画[7] : 478–479
- ミッションの計画とスケジュール[7] : 489–491
- オンボードメモリ管理[15] : 247–249
- 短期および長期の傾向分析[3] : 21
- 惑星探査車の場合の経路計画
飛行力学やネットワーク制御などの特定のミッションサポートの役割のために、管制センター内に専用の物理的スペースが設けられる場合もあれば、[3] : 475 、これらの役割は管制センター外のリモート端末を介して処理される場合もあります。搭載コンピューティング能力と飛行ソフトウェアの複雑さが増すにつれて、宇宙船上でより自動化されたデータ処理を実行する傾向があります。[16] : 2–3
人材配置
管制センターには、飛行管制官が常時または定期的に配置されます。人員配置が最も多くなるのは、通常、ミッションの初期段階です。 [3] : 21 また、宇宙船が日食状態にあり電力を生成できないときなど、重要な手順や期間です。 [16]コスト管理の手段として、無人宇宙船の管制センターが「無人」（または自動）操作用に設定されることがますます一般的になっています。 [16]飛行制御ソフトウェアは通常、地上または宇宙セグメントでオペレーターの介入が必要になる可能性のある重要なイベント（計画済みおよび計画外の両方）の通知を生成します。 [16]
リモート端末
リモート端末は、ミッション コントロール センターとは別の地上ネットワーク上のインターフェイスであり、ペイロードコントローラー、テレメトリ アナリスト、機器および科学チーム、およびシステム管理者やソフトウェア開発チームなどのサポート担当者がアクセスできます。受信専用の場合もありますが、地上ネットワークにデータを送信することもできます。
ISPやエンド ユーザーなどのサービス顧客が使用する端末は、総称して「ユーザー セグメント」と呼ばれ、通常は地上セグメントとは区別されます。衛星テレビシステムや衛星電話などのユーザー端末は宇宙船と直接通信しますが、他の種類のユーザー端末はデータの受信、送信、処理を地上セグメントに依存しています。
統合およびテスト設備
宇宙船とそのインターフェースは、統合テスト（I&T）施設で組み立てられ、テストされます。ミッション固有のI&Tは、打ち上げ前に宇宙船と地上セグメント間の通信と動作を完全にテストする機会を提供します。[7] : 480
打ち上げ施設
ロケットは、ロケット打ち上げの物流を担う打ち上げ施設を経由して宇宙に運ばれる。打ち上げ施設は通常、打ち上げ前および打ち上げ中にテレメトリを中継するために地上ネットワークに接続されている。打ち上げロケット自体は「転送セグメント」を構成すると言われることもあり、地上セグメントと宇宙セグメントの両方とは別個に考えることができる。[3] : 21
地上ネットワーク
地上ネットワークは、地上セグメントのさまざまな要素間のデータ転送と音声通信を処理します。[7] ：481〜482 これらのネットワークは、多くの場合、異なる当事者が責任を負うLAN要素とWAN要素を組み合わせています。地理的に離れた要素は、専用線または仮想プライベートネットワークを介して接続される場合があります。[7] ：481 地上ネットワークの設計は、信頼性、帯域幅、およびセキュリティの要件によって決まります。遅延耐性のあるネットワークプロトコルが使用される場合があります。
信頼性は、重要なシステムにとって特に重要な考慮事項であり、稼働時間と平均回復時間は最も重要な懸念事項です。宇宙船システムの他の側面と同様に、ネットワーク コンポーネントの冗長性は、必要なシステム信頼性を実現するための主な手段です。
セキュリティの考慮は、宇宙資源と機密データを保護する上で不可欠です。WAN リンクには、情報とネットワークのセキュリティを確保するために、暗号化プロトコルとファイアウォールが組み込まれることがよくあります。ウイルス対策ソフトウェアと侵入検知システムは、ネットワーク エンドポイントで追加のセキュリティを提供します。
費用
地上セグメントの設置と運用に関連するコストは大きく変動し、[17]会計方法によって異なります。デルフト工科大学の調査によると、[注 1]地上セグメントは宇宙システムの総コストの約 5% を占めています。[18] RAND コーポレーションによる NASA の小型宇宙船ミッションに関するレポートによると、運用コストだけで典型的なミッションの生涯コストの 8% を占め、統合とテストがさらに 3.2%、地上施設が 2.6%、地上システムエンジニアリングが 1.1% を占めています。[19] : 10
地上部門のコスト要因には、施設、ハードウェア、ソフトウェア、ネットワーク接続、セキュリティ、および人員に対する要件が含まれます。[20]特に地上局のコストは、必要な送信電力、RF帯域、および既存の施設の適合性に大きく依存します。[17] : 703 管制センターは、人員コストを管理する手段として高度に自動化される場合があります。[16]
- ^ James W. WertzとWiley J. Larson著『宇宙ミッション分析と設計』第3版に記載されているモデルに基づく
画像
参照
- 宇宙データシステム諮問委員会（CCSDS）は、テレメトリとコマンドフォーマットの標準を維持しています。
- ITU無線通信規則で定義されている無線通信サービス
- オンボードデータ処理サブシステム
参考文献
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