航天观察 | 过去四年NASA三大地面跟踪网络的运营预算达3.5亿美金,其中深空网络占比最高_详细解读_最新资讯_热点事件

编者按:本文来自航天十二院和航天驭星联合撰写的《商业航天简报》,36氪经授权发布。

作者:航天驭星 池国花、杨立成

原文题目:美国国家航空航天局(NASA)地面跟踪网络简介

编辑:乔雨萌(qiaoyumeng@36kr.com)、石亚琼 (syq@36kr.com)

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2020年,美国国家航空航天局(NASA)共进行了8次航天发射活动,其中包括4次国际空间站货运、2次龙飞船载人航天发射、太阳轨道器(SolO)探测器和毅力号火星车的发射。NASA的2021年航天任务主要包括以下几个方面:

(1)詹姆斯·韦伯太空望远镜;

(2)毅力号火星车将实现火星着陆;

(3)国际空间站货运补给和载人航天活动将继续进行以保证国际空间站的正常运行;

(4)阿尔忒弥斯计划:发射地月空间自主定位系统技术运行与导航实验(CAPSTONE)立方体卫星,对月球近直线晕轨道(NRHO)进行早期验证。

NASA的这些航天任务均离不开地面跟踪网络的支持。分析NASA现有的全球地面站网络布局及运营情况,可以为国内航天的发展提供一定的参考和借鉴。

NASA的地面跟踪网络可根据用途分为三大网络,分别为近地网络、深空网络、天基网络。其中近地网络主要为近地轨道地球科学研究航天器提供支持,深空网络主要用于深空探测任务,天基网络主要服务于国际空间站货运补给和载人航天任务。2016年至2020年NASA三大网络的运营预算高达3.5亿美金,其中深空网络运营所占的比重最高,占到50%以上,天基网络约占35%,近地网络约占13%。

一、近地网络

NASA的近地网络主要提供遥测、遥控、跟踪和数据通信服务,为低地球轨道(LEO)、地球同步轨道(GEO)、高椭圆轨道(HEO)、月球轨道卫星发射早期阶段提供支持。近地网络既支持NASA自身的任务,也为美国和其他国家的政府机构和商业公司提供地面服务。根据2015年公布的报价,NASA自有地面站的服务价格为490美金/圈,每次任务的准备费用另外计算。该近地网络由NASA的戈达德空间研究所负责运营。

近地网络的初身可追溯到19世纪60年代,NASA为了满足水星探测、阿波罗探月计划等太空任务的需求,建立了最初的地面网络。19世纪90年代,随着低轨科学试验卫星数量的增加,NASA进一步扩大了地面网络的覆盖范围,发展为今天的近地网络。

近地网络的具体分布如图1所示。该网络主要由NASA的自有地面站和合作地面站组成,主要的合作地面站包括瑞典SSC公司和挪威KSAT公司的地面站,图中蓝色为自有地面站,共有6个站址,主要分布于美国本土和南极洲;绿色为合作地面站,共有12个站址,分布于各大洲。

图1 近地地面站网络

该近地网络支持的任务具体包括NASA的SMAP任务(发射于2015年,主要观测地球表层土壤中的水量)、Aura计划(发射于2004年,测量大气中臭氧,气溶胶和关键气体)、Aqua计划(发射于2002年,主要观测地球水循环信息)等40多个近地轨道卫星的在轨服务,以及美国国家海洋和大气管理局NOAA的国家环境气象卫星数据和信息服务项目下的卫星发射阶段和应急支持。

根据官方统计,2014年该近地网络共运行了47000圈次,2015年运行了59000圈次。2015年,该近地网络每天平均服务了150圈次,其中SSC公司和KSAT公司的地面站使用量占总圈次的30%。2020年,商业地面站和高校的地面站使用率占低轨网络通信和跟踪总任务量的67%,NASA计划进一步提高商业和高校地面站的使用率。

二、深空网络

深空网的前身可追溯到1958年,喷气推进实验室与美国陆军签订了合同,在尼日利亚、新加坡、美国加利福尼亚部署了便携式无线电跟踪站,为美国首颗卫星Explorer 1提供遥测支持。1958年12月3日,喷气推进实验室从美国陆军转移到NASA,负责使用机器人航天器设计并执行月球和行星探索计划。此后不久,NASA明确了深空网的概念,将其作为单独管理和运营的通信设施、可支持所有深空任务,打破了原有的每个项目拥有一个专用通信网络的运作模式,深空网络依然由喷气推进实验室负责运营。

深空网络(DSN)主要支持深空探测任务,包括NASA自身的任务和日本航天研究开发机构(JAXA)和欧空局(ESA)等其他国家航天局的任务。深空网络由三个地面站组成,分别位于美国加利福尼亚、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉,每个地面站设有四套天线,分别是1套70米天线、3套34米天线,主要工作频率为S、X频段。为了确保航天器始终与其中一个地面站保持通信,三个地面站的经度位置均匀分布,位于西班牙和澳大利亚的深空站分别由西班牙航天局(INTA)和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)提供本地技术支持。除了支持深空探测任务以外,深空网络还可以为近地网络和太空网络提供备份。

此外,NASA将为阿尔忒弥斯探月计划建设由18米口径天线组成的天线网络,以满足未来持续月球探测产生的通信和跟踪服务需求。近地网络中的美国弗罗里达州肯尼迪航天中心地面站、美国弗罗里达Ponce de Leon站及位于百慕大的跟踪站将为阿尔忒弥斯探月计划提供发射早期的测控支持;深空网络中的34米天线经过升级后将为阿尔忒弥斯系统提供持续的高速率指挥和遥测服务。

三、天基网络

天基网络主要包含跟踪与数据中继卫星系统(TDRS)和地面终端系统。天基网络的主要目的是通过位于地球同步轨道的天基中继卫星系统,增加与航天器通信的时间和传输到地球的数据量,主要为国际空间站货运补给、载人航天任务、哈勃空间望远镜任务提供通信支持。天基网络由NASA的戈达德空间研究所负责运营,2021财政年度天基网络的服务价格为单次接入94美金/分钟,多次接入接收9美金/分钟,多次接入转发15美金/分钟,对于列入“商业航天发射法”名单的商业航天公司提供3-4折优惠服务价格。

数据中继卫星系统(TDRS)目前由10颗在轨卫星组成,第一颗卫星于1988年发射入轨,最近一次发射于2017年。其中3号、5号、6号、7号卫星为第一代,8号至10号卫星为第二代,11号至13号卫星为第三代。第三代与第二代卫星的主要区别在于波束成型,第二代卫星的多路波束成型在星上完成,第三代卫星则将这一功能转移到了地面,使得规划外的S波段直连式存储(DAS)成为可能。

该卫星系统预计运行到2030年左右,NASA计划将中继卫星系统的更新换代和运营工作交付给商业公司,从而获得商业性的卫星中继服务。2019年,NASA与8个商业公司签署了商业中继网络技术研究合同,合同总额达到400万美金。此外,根据航天新闻12月5日报道,NASA计划建设由三颗赤道轨道卫星组成的商业通信中继星座,服务于未来包括“火星冰测绘者”任务在内的火星探测通信任务。

图2 跟踪与数据中继卫星系统(TDRS)

天基网络的地面终端系统位于美国新墨西哥白沙和西太平洋美属关岛。白沙地面站有5套19米口径天线;关岛地面站位于太平洋美海军计算机和电信区总站(NCTAMS),设有一套11米口径天线和一套4.5米天线,可支持S频段和Ku频段。为了升级老旧设备的性能,满足现代通信技术要求,NASA提出了天基网络地面部分维护项目(SGSS),由美国通用动力公司(General Dynamics)担任总承包,完成原有地面站软硬件设施的升级改造和测试。该项目历时多年,项目预算多次上调,根据政府问责局(GAO)2020年4月份的一项评估报告,该项目分别于2019年12月和2020年1月在白沙地面站完成了测试审查,审查委员会称该项目取得了一定进展,但仍然存在一定风险,站址存在一些射频干扰,正式的第一次运行审查将于2021年6月进行。

总的来说,NASA的3个核心网络对其航天任务的开展起到不可或缺的关键作用,在这些地面跟踪网络的建设、运营、升级和改造过程中美国的商业航天公司充分发挥了自身优势,积极参与国家队的航天任务,形成了国家部门与商业公司相辅相成的合作关系。此外,在全球地面站网络的运营方面,NASA充分利用与欧洲、日本、俄罗斯、阿联酋、南非等其他国家航天局之间的合作关系,在地面站共享、任务支持、设备托管等方面开展了全方位的深入合作。尽管中美两国所处的环境有所不同,NASA的发展模式在中国不完全具有可复制性,但美国作为世界航天发展的先驱,对于模式的探索有着丰富的经验和独特的创新,可以为国内航天的发展提供一些新的启发。

航天观察 | 美国商业航天活动概览:NASA商业载人、太空旅游、商业发射、太空旅馆、月球探索、小行星采矿……_详细解读_最新资讯_热点事件

编者按:本文来自航天十二院和航天驭星联合撰写的《商业航天简报》,36氪经授权发布。

作者:十二院 孔超、刘洁

原文题目:美国典型商业航天活动发展现状

编辑:乔雨萌(qiaoyumeng@36kr.com)、石亚琼 (syq@36kr.com)

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商业航天活动没有明确的概念划分。一部分观点认为只有私营公司为私营公司或个人消费者提供产品或服务才属于商业航天;另一部分观点认为只要私营公司参与,承担经营风险,追求投资回报,并以市场化方式运行,无论客户是公还是私,都算是广义商业航天活动,例如NASA提供资助部分资金并引入多家企业竞争的项目也属于“商业”。美国广义的商业航天活动包括NASA商业货运/载人、太空旅游、商业发射服务、太空舱/太空旅馆、月球探索、小行星采矿等。

(一)  NASA商业货运/载人

NASA的商业运输项目包括商业货运(Commercial Cargo)和商业载人(Commercial Crew),前者称商业轨道运输服务(COTS)计划,后者称商业载人运输能力(CCtCAP)计划。COTS计划于2006年启动,私营部门与政府合作开发航天器和火箭,将货物运送到国际空间站。为鼓励竞争,NASA引入三家公司参与,包括SpaceX和诺斯罗普·格鲁曼航天系统公司(NG)和内华达山脉公司(SNC)。目前SpaceX已经利用猎鹰9火箭搭载“货运龙”(Cargo Dragon)飞船,多次执行货运任务,而且飞船可回收;NG公司通过“宇宙神”(Antares)火箭搭载“天鹅座”(Cygnus)货运飞船向国际空间站运送货物;SNC公司的飞船为“逐梦者”(Dream Chaser),将搭载联合发射联盟(ULA)的新型火箭“火神”(Vulcan)发射,预计2021年首飞。NASA商业载人项目于2011年启动,经过多次竞标,2014年9月确定承包商为波音和SpaceX。2020年5月30日,SpaceX利用猎鹰九号搭载“载人龙”(Crew Dragon)飞船,成功将两名宇航员送到国际空间站,8月2日两名宇航员安全返回;波音载人飞船为“Starliner”号,在2019年12月的无人试飞中,波音未能将“Starliner”对接国际空间站,目前其首次载人飞行一再推迟。

(二)  其他典型商业发射服务

  • 亚轨道太空旅游

从事亚轨道太空旅游的公司有维珍银河(Virgin Galactic)和蓝色起源(Blue Origin)。维珍银河的载具宇宙飞船2号(SpaceShipTwo)类似航天飞机,其技术原理是是用一架巨大的双体客机,在中间挂上一个航天飞机,把航天飞机运载到空中释放后再发射,这样可减少燃料。维珍银河航天飞机在2018年、2019年分别将2名和3名飞行员成功送到离地球80公里的亚轨道,其亚轨道飞行定价是25万美元一个座位,未来将制造5架航天飞机。蓝色起源(Blue Origin)将可回收火箭作为载具,其载具命名为新谢泼德(New Shepard),载具发射舱顶部装有一个胶囊,用于载人。新谢泼德火箭2015年4月年首飞,至2020年10月,已经执行了13次飞行任务。目前两家公司还未实现商业化亚轨道太空旅游业务。

  • 微小卫星发射服务

美国参与微小卫星发射服务的主要企业有三家,分别是萤火虫宇航公司、火箭实验室和维珍轨道公司,受到NASA资助。2014年10月,NASA授予三家公司“风险类”(Venture Class)发射服务合同,用于将微小卫星(立方星、微卫星和纳米卫星)发射到轨道上。萤火虫宇航公司研发的载具是“阿尔法”火箭,其有效载荷为630公斤,在2020年年底试飞。火箭实验室研发的载具是“电子”号火箭,已在新西兰的发射场进行了多次发射,并在弗吉尼亚州建造了第二座发射场,发展势头迅猛。维珍轨道公司出自“维珍”系,其载具为LauncherOne,2020年5月首飞,一级火箭点火后不久发生故障并解体。

  • 重型运载发射服务

除了SpaceX,美国参与重型运载发射服务的一个典型公司是蓝色起源,与SpaceX受到NASA资助不同,蓝色起源的资金来自创始人贝佐斯。蓝色起源重型火箭项目有两款火箭,分别是New Glenn和New Armstrong,均以宇航员名字命名。New Glenn用于执行绕地球轨道飞行的任务,New Armstrong用于将有效载荷发送到月球。New Glenn火箭目前是蓝色起源的发展重点,预计于2021年完成首次飞行任务,蓝色起源希望New Glenn能拿到美国国家安全发射合同例如美国空军的发射合同。

  • 平流层发射服务

从事平流层发射服务的主要厂商是Stratolaunch,由微软联合创始人保罗·艾伦、SpaceX CEO马斯克发起成立,利用一款巨型双身飞机(Stratolaunch)将火箭运送至平流层进行发射。Stratolaunch被称为世界上最大的飞机,翼展117米,与足球场的长度相当,有6台发动机和28个轮子,最大起飞质量589吨,可携带最大227吨的火箭到达平流层发射,这样可以极大程度减少地表发射所需的燃料,同时提高成功率、降低天气干扰因素等。2019年4月,Stratolaunch在加州完成首飞,历时2.5小时,飞行高度约5200米,速度达304公里/小时。

(三)  太空舱/太空旅馆

美国太空舱/太空旅馆领域相对成熟的企业是毕格罗宇航公司(Bigelow Aerospace)。2005年10月,毕格罗建造出世界上第一个可扩展的“太空旅馆”试验舱“起源”一号并于2006年搭乘俄罗斯火箭进入太空,“起源”二号太空舱也于2007年成功进入预定轨道。2015年3月,毕格罗发布“可充气活动太空舱(BEAM)”,BEAM采用折叠设计,能迅速扩张为面积达110平方米的太空舱,首个BEAM太空舱已于2016年成功对接国际空间站。毕格罗未来计划发射两个可扩展20倍的B330充气式太空舱。每个B330重20吨,长17.3米,使用寿命为20年,充气展开后内部空间达330立方米,相当于一辆大巴车,可同时容纳6人。两个B330对接在一起组成太空旅馆,访客可停留一至两周,最长可停留一个半月。未来该技术还将用于建造深空空间站以及载人月球基地或载人火星基地。太空舱研发领域的另一个主要玩家是Axiom Space公司。该公司已经拿到NASA的合同,探索在国际空间站上建造商业居住太空舱,预计从2021年开始把商业客户送往国际空间站。

(四)  月球探索

美国近年来启动“重返月球”计划,与“阿波罗计划”不同,此次政府将资助部分经费,引入商业公司的资金和技术,共同开发月球。NASA最新月球探索计划是阿尔忒弥斯(Artemis)计划,计划于2024年将宇航员送至月球表面。NASA投资26亿美元,合作方涵盖从小型初创公司到洛克希德·马丁这样的巨头公司共9家商业企业,共同开发设计机器人登陆器和登陆系统。此次登月计划中需要开发一款月球登录器,NASA委托蓝色起源、Dynetics和SpaceX三家公司竞争开发。以SpaceX方案为例,该公司将通过星舰发送登陆器送入月球轨道,NASA通过SLS和猎户座飞船将宇航员送入月球轨道。在月球轨道上,NASA会建立一个被称作“gateway”的月球轨道空间站,宇航员可以在其中短期生活。同时猎户座和SpaceX的登陆器都与 “gateway”接驳,宇航员可以通过“gateway”从猎户座飞船转移到SpaceX的登陆器中。

(五)  小行星采矿

美国有两家公司在探索小行星采矿领域,分别为行星资源公司(Planetary Resources Inc)和深空工业公司(Deep Space Industries,DSI)。行星资源公司于2012年4月宣布开展小行星采矿技术探索,并在2015年和2018年发射了相关测试卫星,计划在2020年发射首个小行星探测器,但是该公司融资困难导致资金链断裂,在2018年被区块链公司ConsenSys收购,业务陷入停滞。深空工业公司于2013年1月成立,曾计划在2015年发射飞船Firefly并进行两到六个月的采矿计划,还曾计划发射无人飞船、拦截小行星并寻找矿物,但后续推进工作未知,该公司于2019年1月被Bradford Space收购。

纪录片《SpaceX的腾飞之路》(三)

2020年,埃隆•马斯克(Elon Musk)旗下的太空探索科技公司SpaceX与NASA合作,协同执行了人类历史上首次民营公司载人火箭的发射,这也是美国从2011年后,首次发射载人火箭。搭载了龙飞船(Crew Dragon)的猎鹰9号(Falcon-9)火箭,将NASA宇航员鲍勃·贝肯(Bob Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley)成功送入国际空间站,并顺利返回地球。

这一工程浩大的太空任务已然被载入人类史册,就让我们追随着纪录片的脚步,看一看人类的征途如何走向星辰大海。

视频来源:rtmi 1

纪录片《SpaceX的腾飞之路》(三)

2020年,埃隆•马斯克(Elon Musk)旗下的太空探索科技公司SpaceX与NASA合作,协同执行了人类历史上首次民营公司载人火箭的发射,这也是美国从2011年后,首次发射载人火箭。搭载了龙飞船(Crew Dragon)的猎鹰9号(Falcon-9)火箭,将NASA宇航员鲍勃·贝肯(Bob Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley)成功送入国际空间站,并顺利返回地球。

这一工程浩大的太空任务已然被载入人类史册,就让我们追随着纪录片的脚步,看一看人类的征途如何走向星辰大海。

视频来源:rtmi 1

纪录片《SpaceX的腾飞之路》(三)

2020年,埃隆•马斯克(Elon Musk)旗下的太空探索科技公司SpaceX与NASA合作,协同执行了人类历史上首次民营公司载人火箭的发射,这也是美国从2011年后,首次发射载人火箭。搭载了龙飞船(Crew Dragon)的猎鹰9号(Falcon-9)火箭,将NASA宇航员鲍勃·贝肯(Bob Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley)成功送入国际空间站,并顺利返回地球。

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