追跡およびデータ中継衛星システム

米国の追跡およびデータ中継衛星システム( TDRSS、「ティードリス」と発音) は、NASAが宇宙通信に使用しているアメリカの通信衛星(それぞれ追跡およびデータ中継衛星、TDRS と呼ばれる) と地上局のネットワークです。このシステムは、NASA の有人飛行ミッションのすべてを支えてきた既存の地上局ネットワークを置き換えるように設計されました。主な設計目標は、宇宙船が地上と通信する時間を増やし、転送できるデータの量を増やすことでした。多くの追跡およびデータ中継衛星は、 1980 年代から 1990 年代にかけてスペース シャトルで打ち上げられ、シャトル用に開発された 2 段式固体ロケット ブースターである慣性上段ロケットを使用しました。その他の TDRS は、アトラス IIaロケットとアトラス Vロケット で打ち上げられました。

最新世代の衛星は、Sバンドで6Mbit/s、 KuバンドとKaバンドで800Mbit/sの地上受信速度を実現しています。これは主に米国軍によって使用されています。^[1]

2022年にNASAはTDRSシステムを段階的に廃止し、通信衛星サービスの商用プロバイダーに依存すると発表した。^[2]

長時間かつ高可用性の宇宙対地上通信の要件を満たすため、NASA は1960 年代初頭に宇宙船追跡およびデータ収集ネットワーク( STADAN ) を構築しました。世界中に配備されたパラボラ アンテナと電話交換機で構成される STADAN は、90 分間の軌道周期のうち約 15 分間、宇宙対地上通信を提供しました。この限られた通信期間は無人宇宙船には十分でしたが、有人宇宙船ではデータ収集にはるかに長い時間が必要でした。^{[引用が必要]}

1960 年代初頭に STADAN の直後に設立された並行ネットワークは、有人宇宙飛行ネットワーク(MSFN) と呼ばれ、地球軌道上の有人宇宙船と通信していました。別のネットワークである深宇宙ネットワーク(DSN) は、深宇宙探査機からのデータ収集という主な任務に加えて、アポロ計画など、地球から 10,000 マイル以上離れた有人宇宙船と通信していました。 ^{[引用が必要]}

1970 年代半ばにスペース シャトルが開発されると、より高性能な宇宙ベースの通信システムの必要性が生じました。アポロ計画の終了時に、NASA は MSFN と STADAN が同様の機能を持つまでに進化したことに気づき、2 つのネットワークを統合して宇宙船追跡およびデータ ネットワーク(STDN) を作成することを決定しました。

統合後も、STDN にはいくつかの欠点がありました。ネットワーク全体が世界中に広がる地上局で構成されていたため、これらのサイトはホスト国の政治的気まぐれに左右されやすかったのです。高い信頼性とより高速なデータ転送速度を維持するために、NASA は^{[いつ? ]}宇宙ベースの通信ノードでシステムを拡張する研究を開始しました。

新しいシステムの宇宙セグメントは、静止軌道上の衛星に依存します。これらの衛星は、その位置のおかげで、より低い軌道上の衛星にデータを送受信しながら、地上局の視界内に留まることができます。運用中の TDRSS 衛星群は、TDE と TDW (東と西) と呼ばれる 2 つの衛星と、軌道上の予備の 1 つを使用します。^{[引用が必要]}

研究が完了した後、NASA は、100% の世界規模のカバレッジを達成するには、システムの小さな変更が必要であることを認識しました。小さなエリアは、どの衛星からも見通しが利きません。いわゆる ZOE (Zone of Exclusion) です。ZOE があると、TDRS 衛星はいずれも、特定の高度 (646 海里) 未満の宇宙船と通信できなくなります。ZOE をカバーする別の衛星と近くの地上局を追加することで、100% のカバレッジが実現できます。宇宙ベースのネットワーク研究により、現在の TDRSS ネットワーク設計の計画となったシステムが生まれました。^[3]

1960 年代初頭、NASA の応用技術衛星(ATS) および先進通信技術衛星(ACTS) プログラムは、周波数分割多重アクセス ( FDMA )、3 軸宇宙船安定化、高性能通信技術など、TDRSS やその他の商用通信衛星で使用されている多くの技術のプロトタイプを作成しました。^{[引用が必要]}

2009年7月現在^{[アップデート]}、TDRSプロジェクトマネージャーはNASAゴダード宇宙飛行センターのジェフ・J・グラムリング氏です。^[4]副プロジェクトマネージャーのロバート・P・ブキャナン氏は、TDRSを最後のミッションの1つとしてNASAで41年間勤務した後退職しました。ボーイング社がTDRS Kの建造を担当しています。^[5]

TDRSS は、他のほとんどの宇宙システムと同様に、地上セグメント、宇宙セグメント、ユーザー セグメントの 3 つのセグメントで構成されています。これらの 3 つのセグメントは連携して動作し、ミッションを達成します。いずれかのセグメントで緊急事態や障害が発生すると、システムの残りの部分に壊滅的な影響が及ぶ可能性があります。このため、すべてのセグメントに冗長性が考慮されています。

TDRSSの地上セグメントは、ニューメキシコ州南部のホワイトサンズ・コンプレックス（WSC）にある3つの地上局、グアム海軍コンピュータ・電気通信ステーションのグアム遠隔地上ターミナル（GRGT）、およびメリーランド州グリーンベルトのゴダード宇宙飛行センターにあるネットワーク制御センターで構成されています。これら3つの局はネットワークの中心であり、コマンドと制御サービスを提供しています。完了したシステムアップグレードにより、メリーランド州ブロッサムポイントに新しいターミナルが建設されました。^{[6] [7]}

ラスクルーセス近郊にある WSC は、次の施設で構成されています。

• ホワイトサンズ グラウンド ターミナル (WSGT) 32°30′03″N 106°36′31″W / 32.5007°N 106.6086°W / 32.5007; -106.6086
• 第 2 TDRSS 地上ターミナル (STGT) 32°32′35″N 106°36′43″W / 32.5430°N 106.6120°W / 32.5430; -106.6120
• 拡張 TDRS グラウンド ターミナル (ETGT)

さらに、WSC はグアムの GRGT を遠隔制御します。

WSC には、施設スタッフ専用のUS Route 70からの出口があります。NASA は、非常に具体的な基準を使用して地上ターミナルの場所を決定しました。最も重要なのは、地上局から衛星を観測できることです。場所は、東西両方の空が見えるほど赤道に近い必要がありました。天候も重要な要素でした。ニューメキシコ州は、平均して年間 350 日近く晴れており、降水量は非常に少ないです。

WSGT は、1983 年にスペース シャトル チャレンジャーによる TDRS-A の打ち上げとともにオンラインになりました。STGT は 1994 年に運用を開始し、その年の初めにフライト 6 の軌道上チェックアウト後にシステムが完成しました。さらに、2 番目のターミナルの完成後、NASA は 2 つのステーションの名前を決めるコンテストを開催しました。地元の中学生が、 WSGT にはリーダーを意味する Cacique (kah-see-keh)、STGT にはダンサーを意味する Danzante を選びました。これらの名前は宣伝目的のみだったようで、NASA の公式文書では、WSGT と STGT または WSC を指定記号として使用します。

WSGT と STGT は地理的に離れており、完全に独立していますが、緊急時にサイト間でデータを転送するためのバックアップ光ファイバーリンクが保持されています。各地上局には、衛星と通信するための 19 メートルのアンテナ、Space-Ground Link Terminals (SGLT) があります。STGT には 3 つの SGLT がありますが、WSGT には 2 つしかありません。システム設計者は、ZOE をカバーする衛星に完全なネットワークサポートを提供するために、残りの SGLT をグアムに移動しました。WSGT の遠隔地と見なされているため、SGLT の距離と場所はネットワークユーザーにとって透過的です。

グアム遠隔地上ターミナル (GRGT) 13°36′53″N 144°51′23″E / 13.6148°N 144.8565°E / 13.6148; 144.8565は、WSGT の延長です。ターミナルには SGLT 6 があり、通信サービス コントローラー (CSC) は STGT の TDRS 運用制御センター (TOCC) にあります。GRGT が運用される前は、補助システムがディエゴ ガルシア島にありました。

宇宙飛行追跡およびデータ ネットワーク(STDN)の主要部分は、 NASA 統合サービス ネットワーク(NISN)、ネットワーク コントロール センター (NCC)、ミッション オペレーション センター (MOC)、宇宙船データ処理施設 (SDPF)、およびマルチ ミッション飛行力学ラボ (MMFD) です。

NISN は、宇宙ミッションのデータ転送バックボーンを提供します。これは、NASA のすべての企業、プログラム、センターのデータ、ビデオ、音声の伝送のための費用効果の高い広域ネットワーク通信サービスです。STDN のこの部分は、光ファイバー リンク、ルーター、スイッチなど、ネットワーク トラフィック フローを監視するためのインフラストラクチャとコンピューターで構成されています。データは、インターネット プロトコル運用ネットワーク (IPONET) または高データ レート システム (HDRS) を使用する 2 つの方法で NISN を通過できます。IPONET は、インターネットに接続されたすべてのコンピューターに共通の TCP/IPプロトコルを使用しており、データ送信の標準的な方法です。高データ レート システムは、高速データ転送を必要とする特殊なミッションのために、2 Mbit/sから 48 Mbit/s のデータ レートで転送します。HDRS は、IPONET のようにデータを転送するためにルーター、スイッチ、ゲートウェイのインフラストラクチャを必要としません。

NCC は、サービス計画、制御、保証、説明責任を提供します。サービス計画では、ユーザー リクエストを受け取り、その情報を適切な SN 要素に配布します。サービス制御と保証では、TDRSS パフォーマンス データの受信、検証、表示、配布などのリアルタイム使用の機能をサポートします。サービス説明責任では、NCC とネットワーク リソースの使用に関する会計レポートを提供します。NCC は、2000 年に WSC に移転されるまで、メリーランド州グリーンベルトのゴダード宇宙飛行センターにありました。

MOC は宇宙船の運用の中心です。サポート要求のスケジュール設定、宇宙船のパフォーマンスの監視、制御情報の宇宙船へのアップロード (TDRSS 経由) を行います。MOC は、主任研究員、ミッション プランナー、およびフライト オペレーターで構成されます。主任研究員は SN サポート要求を開始します。ミッション プランナーは、宇宙船とそのミッションに関するドキュメントを提供します。フライト オペレーターは、宇宙船にコマンドを送信して運用を実行する最終リンクです。

MMFD ラボは、飛行プロジェクトと追跡ネットワークのサポートを提供します。飛行プロジェクトのサポートは、軌道と姿勢の決定と制御で構成されます。軌道パラメータは、ミッション宇​​宙船の実際の軌道を通じて追跡され、予測された軌道と比較されます。姿勢決定では、既知の物体 (太陽、月、星、または地球の磁場) に対する宇宙船の向きを表すパラメータ セットを計算します。追跡ネットワーク サポートでは、追跡データの品質を分析および評価します。

TDRSS 衛星群の宇宙セグメントは、システムの中で最も動的な部分です。軌道上に 9 つの衛星があっても、システムは 3 つの主要衛星でサポートを提供し、残りはすぐに主要衛星として使用できる軌道上の予備衛星として使用します。元の TDRSS 設計では、東用に TDE、西用に TDW と指定された 2 つの主要衛星と、軌道上の予備衛星 1 つがありました。1980 年代にユーザー要件が急増したため、NASA はネットワークを拡張して衛星を追加し、特に混雑した軌道スロットにいくつかの衛星を配置することができました。衛星の詳細については、 「追跡およびデータ中継衛星」を参照してください。

TDRSS のユーザー セグメントには、NASA の最も有名なプログラムが多数含まれています。ハッブル宇宙望遠鏡やLANDSATなどのプログラムは、TDRSS を介してそれぞれのミッション コントロール センターに観測結果を中継します。有人宇宙飛行は TDRSS 構築の主な目的の 1 つであったため、スペース シャトルと国際宇宙ステーションの音声通信はシステムを介してルーティングされます。

TDRSS システムは、多くの軌道上の観測所にデータ中継サービスを提供するために使用されており、また、 TDRSS 南極中継を経由してマクマード基地などの南極施設にもデータ中継サービスを提供しています。国際宇宙ステーション (ISS)の米国製セクションでは、データ中継に TDRSS を使用しています。TDRSS は、使い捨てブースターの打ち上げデータ中継にも使用されています。^{[どれですか? ]}

1989年には、TDRSSの重要な機能は、国家偵察局が運用するラクロスレーダー画像偵察衛星へのデータ中継であると報告されていました。^[8]

それからほぼ20年後の2007年11月23日、オンライン業界紙は「NASA​​はスペースシャトルや国際宇宙ステーションとの通信に（TDRSS）衛星を使用しているが、その帯域幅のほとんどは国防総省に充てられており、国防総省はTDRSSの運用コストの大部分を負担し、システムの要件の多くを推進しており、その一部は機密事項となっている」と指摘した。^[9]

2008年10月、NROは、コロラド州デンバー、ワシントンDC、ニューメキシコ州ラスクルーセス近郊にある、航空宇宙データ施設（ADF）-コロラド、ADF-イースト、ADF-サウスウェストと呼ばれる米国のミッション地上局の存在を機密解除しました。^[10] ADF-コロラドとADF-イーストは、コロラド州バックリー空軍基地^[11]とバージニア州フォートベルボアにあることが知られています。^{[12] ADF-サウスウェストは、}ホワイトサンズミサイル実験場にあり、ホワイトサンズTDRSS局にあると推定されています。^[13]

最初の 7 機の TDRSS 衛星は、カリフォルニア州レドンドビーチのTRW社 (現在はノースロップ グラマンエアロスペース システムズの傘下)によって製造され、それ以降の衛星はすべてカリフォルニア州エルセグンドのヒューズ スペース アンド コミュニケーションズ社(現在はボーイング社の傘下) によって製造されました。

TDRSS システムは、ジェームズ・ボンドの映画「ムーンレイカー」で簡単に触れられています。また、1997 年の映画「イベント・ホライゾン」でも取り上げられています。

注: TDRSS 衛星は製造工程中は文字で指定されますが、正しい静止軌道に正常に到達したら番号で参照されます (たとえば、開発中および軌道上での承認前は TDRS-A、軌道上で承認されて運用使用が開始された後は TDRS-1)。したがって、打ち上げ失敗で失われた衛星や大規模な故障が発生した衛星には番号が付けられません (たとえば、スペースシャトルチャレンジャー号の事故で失われたため、番号が付けられなかったTDRS-B )。

• 欧州データ中継システム
• インドのデータ中継衛星システム – 計画中の通信衛星
• ルーチ（衛星） – ロシアのデータ中継システム
• 衛星データシステム– 偵察衛星用のもう一つの米国のデータ中継システム
• 天聯– 中国のデータ中継システム

ウィキメディア・コモンズには、追跡およびデータ中継衛星システムに関連するメディアがあります。

• NASA ゴダード宇宙飛行センター 宇宙ネットワーク公式ページ
• NASA の TDRSS プログラム概要ページ
• NASA ゴダード宇宙飛行センター TDRS K/L プロジェクト公式ページ

• Baker, D. (編) (2001) Jane's Space Directory: 2001–2002。バージニア州アレクサンドリア: Jane's Information Group。
• 統合宇宙運用契約 (CSOC)。(2000) 認定およびトレーニング コース 880 および 882: TDRSS オリエンテーションおよびシステム データ フロー。
• クラフト、C. (2002) 『フライト：ミッションコントロールでの私の人生』 ニューヨーク：プルームブックス。
• クランツ、G. (2000) 失敗は選択肢ではない。ニューヨーク：プルームブックス
• NASA (1996) 第 2 回 TDRSS ワークショップ: 1996 年 6 月 25 ～ 26 日。2003 年 8 月 25 日にインターネットから取得。https://web.archive.org/web/20050126202052/http://nmsp.gsfc.nasa.gov/TUBE/pdf/infopack.pdf
• Fox GPS トラッカーの追跡。https://certifiedpedia.com/tracking-fox-gps-tracker-review/

• NASA (2000) グアム遠隔地上ターミナル。2003 年 8 月 25 日にインターネットから取得。https://web.archive.org/web/20050214060604/http://nmsp.gsfc.nasa.gov/tdrss/guam.html
• Sellers, J. (2000) 『宇宙を理解する：宇宙航行学入門』 ニューヨーク：McGraw-Hill Companies, Inc.
• Thompson, T. (1996) TRW Space Log. カリフォルニア州レドンドビーチ: TRW Space & Electronics Group.
• Wertz, J. & Larson, W. (1999) 宇宙ミッション分析と設計、第 3 版。カリフォルニア州トーランス: Microcosm Press。